SÉRGIO LOUREDO MAIA LACERDA
AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO-FREQUÊNCIA
UTILIZANDO O TRANSCEIVER NRF-24L01+® PARA MONITORAMENTO DE
SISTEMAS ELÉTRICOS NO CONCEITO DE SMART GRID.
Dissertação de Mestrado apresentado
ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica - PPGEE, da
Universidade Federal da Paraíba UFPB, como requisito parcial para a
obtenção do título de Mestre em
Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Fabiano Salvadori
JOÃO PESSOA
2015
SÉRGIO LOUREDO MAIA LACERDA
AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO-FREQUÊNCIA
UTILIZANDO O TRANSCEIVER NRF-24L01+® PARA MONITORAMENTO DE
SISTEMAS ELÉTRICOS NO CONCEITO DE SMART GRID.
Dissertação de Mestrado apresentada
ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica - PPGEE, da
Universidade Federal da Paraíba UFPB, como requisito parcial para a
obtenção do título de Mestre em
Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Fabiano Salvadori
JOÃO PESSOA
2015
FICHA CATALOGRÁFICA
Louredo, Sérgio
Avaliação da eficiência da comunicação via rádio-frequência
utilizando o transceiver nRF-24L01+ para monitoramento de
sistemas elétricos no conceito de smart grid – João Pessoa,
2015.
Nº de páginas: 121.
Área de concentração: Sistemas de Energia.
Orientador: Prof. Dr. Fabiano Salvadori.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal da Paraíba –
UFPB
Centro de Energias Alternativas e Renováveis – CEAR
Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica –
PPGEE.
1. Unidade de Sensoriamento Inteligente; 2. Comunicação; 3.
Wireless; 4. Transceiver; 5. Microcontrolador PIC 18F2580.
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA – UFPB
CENTRO DE ENERGIAS ALTERNATIVAS E RENOVÁVEIS – CEAR
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA – PPGEE
A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova o Exame de Dissertação
AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO-FREQUÊNCIA
UTILIZANDO O TRANSCEIVER NRF-24L01+® PARA MONITORAMENTO DE
SISTEMAS ELÉTRICOS NO CONCEITO DE SMART GRID.
Elaborado por
SÉRGIO LOUREDO MAIA LACERDA
como requisito parcial para obtenção do grau de
Mestre em Engenharia Elétrica.
COMISSÃO EXAMINADORA
PROF. DR. FABIANO SALVADORI (Presidente)
PROF. DR. ANTONIO AUGUSTO LISBOA DE SOUZA
PROF. DR. LUCAS VINICIUS HARTMANN
João Pessoa/PB, 27 de fevereiro de 2015.
À minha esposa Hayana pela compreensão e pelos momentos em que deixamos de
estar juntos...
Aos meus pais, Aristeu e Isabel, a eles todos os créditos...
A Deus Pai Todo Poderoso...
Dedico.
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. e Orientador Dr. Fabiano Salvadori, pela paciência, compreensão,
pressão e dedicação nas correções e orientações neste período de aprendizado.
À Profa. Dra. Camila Gehrke, por toda sua colaboração na pesquisa e
correções do trabalho final.
Aos colaboradores de pós-graduação e amigos pessoais, Alison e Zariff,
pela contribuição significativa para os avanços na pesquisa.
Aos meus companheiros de pós-graduação, que tornaram agradável esta
caminhada.
Aos meus amigos do trabalho, pela força e apoio.
Aos meus irmãos, pela motivação.
“Devemos julgar um homem mais pelas suas perguntas que pelas respostas.”
Voltaire.
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ....................................................................................... VI
RESUMO
......................................................................................................... VII
ABSTRACT
........................................................................................................ VIII
1
INTRODUÇÃO .................................................................................................... 13
1.1
CONCEITUAÇÃO E APLICABILIDADE DAS SMART GRIDS ......................... 13
1.2
OBJETIVO........................................................................................................ 17
1.3
ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO .................................................................... 18
2
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO ................................................................ 21
2.1
COMUNICAÇÃO SERIAL. ............................................................................... 23
2.2
CAN BUS – CONTROLLER AREA NETWORK. .............................................. 24
2.3
PLC - POWER LINE COMMUNICATION. ........................................................ 25
2.4
ETHERNET. ..................................................................................................... 27
2.5
COMUNICAÇÃO VIA FIBRA ÓPTICA.............................................................. 29
2.6
RÁDIO FREQUÊNCIA...................................................................................... 30
3
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE .......................................... 36
3.1
SISTEMA DE MONITORAMENTO COMPLETO (DESCRIÇÃO) ............................. 36
3.2
HARDWARE ...................................................................................................... 41
3.2.1 MÓDULO TRANSCEPTOR NRF 24L01+® ........................................................ 41
3.2.2 ARDUINO UNO .................................................................................................. 47
3.3
SOFTWARE ....................................................................................................... 50
3.3.1 CONFIGURAÇÃO E EXIBIÇÃO DE DADOS ......................................................... 50
3.3.2 ROTINAS DE TRABALHO PREDEFINIDAS.......................................................... 52
4
RESULTADOS EXPERIMENTAIS...................................................................... 58
4.1
RESULTADOS DOS TESTES DE CURTA DISTÂNCIA ......................................... 60
4.2
RESULTADOS DOS TESTES DE LONGA DISTÂNCIA ....................................... 93
5
CONCLUSÕES ................................................................................................. 109
6
ANEXO 1........... ................................................................................................ 113
7
REFERÊNCIAS ................................................................................................. 118
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1 DIAGRAMA GERAL DE BLOCOS DO SISTEMA DE
MONITORAMENTO E COMUNICAÇÃO PROPOSTO DESENVOLVIDO ............. 18
FIGURA 2 DIAGRAMA GERAL DE BLOCOS DO SISTEMA DE
MONITORAMENTO E COMUNICAÇÃO PROPOSTO ........................................... 37
FIGURA 3 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE BLOCOS DO SISTEMA DE
MONITORAMENTO E COMUNICAÇÃO PROPOSTO ........................................... 37
FIGURA 4 DIAGRAMA DE BLOCOS DA UNIDADE DE SENSORIAMENTO
MESTRE .............................................................................................................. 39
FIGURA 5 DIAGRAMA DE BLOCOS DA UNIDADE DE SENSORIAMENTO
ESCRAVO .............................................................................................................. 40
FIGURA 6 -
VISTA FRONTAL DO MÓDULO TRANSCEPTOR NRF 24L01+® ....... 42
FIGURA 7 PINOS DO TRANSCEPTOR NRF 24L01+® PARA CONEXÃO
COM ARDUINO ...................................................................................................... 43
FIGURA 8 FORMATO DO PACOTE DE DADOS MONTADO PELO
PROTOCOLO ENHANCED SHOCKBURST .......................................................... 47
FIGURA 9 SISTEMA COMPLETO DESENVOLVIDO PARA COMUNICAÇÃO
(COM LIGAÇÕES TRANSCEPTOR – ARDUINO) ................................................. 49
FIGURA 10 - EXIBIÇÃO DO INÍCIO DA EXECUÇÃO DA ROTINA DA USI
ESCRAVO .............................................................................................................. 51
FIGURA 11 - EXIBIÇÃO DO TÉRMINO DA EXECUÇÃO DA ROTINA DA USI
ESCRAVO .............................................................................................................. 51
FIGURA 12 - EXIBIÇÃO DO INÍCIO DA EXECUÇÃO DA ROTINA DA USI
MESTRE .............................................................................................................. 51
FIGURA 13 - EXIBIÇÃO DO TÉRMINO DA EXECUÇÃO DA ROTINA DA USI
MESTRE .............................................................................................................. 52
FIGURA 14 SEM FIO
SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS E MONITORAMENTO
.............................................................................................................. 53
FIGURA 15 - ESQUEMA BÁSICO DO FUNCIONAMENTO DO PROGRAMA DE
AQUISIÇÃO E MONITORAMENTO DA USI ESCRAVO ........................................ 55
FIGURA 16 - ESQUEMA BÁSICO DO FUNCIONAMENTO DO PROGRAMA DE
AQUISIÇÃO E MONITORAMENTO DA USI MESTRE .......................................... 56
FIGURA 17 - FUNCIONALIDADES DO WIFI ANALYZER ........................................ 60
FIGURA 18 - VISTA LATERAL DO TRANSCEPTOR COM INDICAÇÃO DE
POSIÇÃO E DIREÇÃO ........................................................................................... 62
FIGURA 19 - VISTA FRONTAL DO TRANSCEPTOR ............................................... 62
FIGURA 20 - VISTA FRONTAL DO TRANSCEPTOR COM INDICAÇÃO DE
POSIÇÃO E DIREÇÃO ........................................................................................... 63
FIGURA 21 - AUSÊNCIA DE SINAL DE REDES WIRELESS ................................... 64
FIGURA 22 - POSSÍVEIS SINAIS INTERFERENTES DE BAIXA AMPLITUDE ....... 65
FIGURA 23 - POSSÍVEL SINAL INTERFERENTE DE ALTA AMPLITUDE
ACOMPANHADO DE SINAIS DE BAIXA .............................................................. 66
FIGURA 24 - EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO NA POSIÇÃO 1 ........................... 67
FIGURA 25 - EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO NA POSIÇÃO 2 ........................... 67
FIGURA 26 - EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO NA POSIÇÃO 3 ............................ 68
FIGURA 27 - COMPARATIVO ENTRE AS POSIÇÕES 1, 2 E 3 –
CONSIDERANDO OS 3 CENÁRIOS ...................................................................... 68
FIGURA 28 - POSSÍVEIS SINAIS INTERFERENTES DE BAIXA AMPLITUDE ....... 70
FIGURA 29 - COMPARATIVO ENTRE AS 3 POSIÇÕES DA UNIDADES ................ 71
FIGURA 30 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE NAS DISTÂNCIAS DE 1, 2, 5 E
15M, RESPECTIVAMENTE .................................................................................... 72
FIGURA 31 - COMPARATIVO DA EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO PARA
CURTAS DISTÂNCIAS........................................................................................... 73
FIGURA 32 - CENÁRIO 1: VENTO EM SENTIDO DESFAVORÁVEL À
UNIDADE ESCRAVO ............................................................................................. 74
FIGURA 33 - CENÁRIO 2: VENTO EM SENTIDO DESFAVORÁVEL ÀS
UNIDADES ESCRAVO E MESTRE ........................................................................ 74
FIGURA 34 - CENÁRIO 3: VENTO EM SENTIDO FAVORÁVEL ÀS UNIDADES
ESCRAVO E MESTRE ........................................................................................... 75
FIGURA 35 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE DURANTE A COMUNICAÇÃO
NOS 3 CENÁRIOS ADOTADAS, RESPECTIVAMENTE ....................................... 75
FIGURA 36 - COMPARATIVO ENTRE A COMUNICAÇÃO NOS 3 CENÁRIOS
MEDIANTE O FATOR CONDICIONANTE “VENTO”............................................. 76
FIGURA 37 - PAREDE DE ALVENARIA SEPARANDO AS USIS MESTRE E
ESCRAVO .............................................................................................................. 77
FIGURA 38 - PAREDE DE VIDRO SEPARANDO AS USIS MESTRE E
ESCRAVO .............................................................................................................. 77
FIGURA 39 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE DURANTE A COMUNICAÇÃO
NO CENÁRIO 1, CENÁRIO 2 E CENÁRIO 3, RESPECTIVAMENTE .................... 78
FIGURA 40 - COMPARATIVO DA EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO PARA OS
3 CENÁRIOS .......................................................................................................... 79
FIGURA 41 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE DURANTE A COMUNICAÇÃO
NO CENÁRIO BASE E NOS CENÁRIOS 1, 2 E 3, RESPECTIVAMENTE ............ 80
FIGURA 42 - COMPARATIVO DA EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO ENTRE O
CENÁRIO BASE E OS CENÁRIOS 1, 2 E 3 .......................................................... 81
FIGURA 43 - COMPORTAMENTO DA COMUNICAÇÃO DIANTE DOS
CENÁRIOS APRESENTADOS ............................................................................... 81
FIGURA 44 - UNIDADES
TRANSCEPTORAS
ENCOBERTAS
POR
INVÓLUCROS DE VIDRO ...................................................................................... 82
FIGURA 45 - UNIDADES
TRANSCEPTORAS
ENCOBERTAS
POR
INVÓLUCROS METÁLICOS .................................................................................. 83
FIGURA 46 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE DURANTE A COMUNICAÇÃO
NO CENÁRIO PADRÃO E NOS CENÁRIOS 1 E 2, RESPECTIVAMENTE .......... 83
FIGURA 47 - COMPARATIVO DA EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO ENTRE O
CENÁRIO BASE E OS CENÁRIOS 1 E 2 .............................................................. 84
FIGURA 48 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE (SITUAÇÃO PADRÃO 1),
SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE (CENÁRIO 1); SINAL DE ALTA
AMPLITUDE (SITUAÇÃO PADRÃO 2) E SINAL DE ALTA AMPLITUDE
(CENÁRIO 2), RESPECTIVAMENTE ..................................................................... 86
FIGURA 49 - COMPARATIVO ENTRE AS COMUNICAÇÕES QUANTO A
QUANTIDADE
DE
USIS
ESCRAVO
ENVIANDO
PACOTES
SIMULTANEAMENTE DIANTE DE REDES WIRELESS DE BAIXA E ALTA
AMPLITUDE ........................................................................................................... 86
FIGURA 50 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE DURANTE A COMUNICAÇÃO
NA
SITUAÇÃO
PADRÃO
E
NA
SITUAÇÃO
ADOTADA,
RESPECTIVAMENTE ............................................................................................. 88
FIGURA 51 - COMPARATIVO ENTRE AS COMUNICAÇÕES QUANTO AO
CONFINAMENTO DE UMA USI EM ELEVADOR DE SERVIÇO .......................... 89
FIGURA 52 - SINAL DE ALTA AMPLITUDE PARA O CENÁRIO 1 E DE BAIXA
PARA OS CENÁRIOS 2, 3 E 4 .............................................................................. 91
FIGURA 53 - COMPARATIVO ENTRE AS COMUNICAÇÕES QUANTO AO
TIPO DE POSSÍVEL INTERFERÊNCIA ................................................................. 92
FIGURA 54 - COMPARATIVO ENTRE AS COMUNICAÇÕES QUANTO AO
TIPO DE POSSÍVEL INTERFERÊNCIA ................................................................. 92
FIGURA 55 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE NOS TESTES DO CENÁRIO 1
PARA AS DISTÂNCIAS DE D1 = 15M, D2 = 30M, D3 = 50M E D4 = 65M ............ 94
FIGURA 56 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE NOS TESTES DO CENÁRIO 1
PARA AS DISTÂNCIAS DE D5 = 80M, D6 = 90M, D7 = 100M E D8 = 110M ........ 94
FIGURA 57 - COMPARATIVO
ENTRE
AS
COMUNICAÇÕES
NAS
DISTÂNCIAS ADOTADAS PARA O CENÁRIO 1 .................................................. 95
FIGURA 58 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE NO CENÁRIO 2 PARA AS
DISTÂNCIAS DE D1 = 50M, D2 = 65M, D3 = 80M ................................................. 96
FIGURA 59 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE NO CENÁRIO 2 PARA AS
DISTÂNCIAS DE D4 = 90M, D5 = 100M, D6 = 110M ............................................. 97
FIGURA 60 - COMPARATIVO
ENTRE
AS
COMUNICAÇÕES
NAS
DISTÂNCIAS ADOTADAS NO CENÁRIO 2 .......................................................... 98
FIGURA 61 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE NO CENÁRIO 3 PARA AS
DISTÂNCIAS DE D1 = 50M, D2 = 65M, D3 = 80M ................................................. 99
FIGURA 62 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE NO CENÁRIO 3 PARA AS
DISTÂNCIAS DE D4 = 90M, D5 = 100M, D6 = 110M ............................................. 99
FIGURA 63 - COMPARATIVO
ENTRE
AS
COMUNICAÇÕES
NAS
DISTÂNCIAS ADOTADAS PARA O CENÁRIO 3 .................................................. 100
FIGURA 64 - COMPARATIVO
ENTRE
O
MELHOR
TESTE
DE
COMUNICAÇÃO DE CADA DIREÇÃO E POSICIONAMENTO A CADA
PASSO DE DISTÂNCIA ......................................................................................... 101
FIGURA 65 - COMPARATIVO ENTRE O PIOR TESTE DE COMUNICAÇÃO DE
CADA DIREÇÃO E POSICIONAMENTO .............................................................. 102
FIGURA 66 - COMPARATIVO ENTRE A MÉDIA DE VALORES DOS
RESULTADOS DE CADA TESTE DE DISTÂNCIA PARA AS DIREÇÕES E
POSICIONAMENTOS CONSIDERADOS ............................................................. 102
FIGURA 67 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE PARA AS DISTÂNCIAS DE D1 =
100M, D2 = 150M E D3 = 200M .............................................................................. 104
FIGURA 68 - SINAIS DE BAIXA AMPLITUDE PARA AS DISTÂNCIAS DE D4 =
250M E D5 = 300M ................................................................................................ 104
FIGURA 69 - COMPARATIVO
ENTRE
AS
COMUNICAÇÕES
NAS
DISTÂNCIAS ADOTADAS ................................................................................... 105
FIGURA 70 - COMPARATIVO
ENTRE
AS
COMUNICAÇÕES
NAS
DISTÂNCIAS ADOTADAS ..................................................................................... 105
FIGURA 71 - EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO NA RELAÇÃO R/T DE
PACOTES PARA AS DISTÂNCIAS ADOTADAS ................................................. 106
TABELA 1 -
DESCRIÇÃO DOS PINOS DO TRANSCEPTOR NRF 24L01+ ............ 43
TABELA 2 -
EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO (%) ................................................ 69
TABELA 3 -
EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO (%) ................................................ 106
Resumo
AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO-FREQUÊNCIA
UTILIZANDO O TRANSCEIVER NRF-24L01+® PARA MONITORAMENTO DE
SISTEMAS ELÉTRICOS NO CONCEITO DE SMART GRID.
O presente trabalho trata da avaliação do sistema de comunicação por meio de
rádio-frequência utilizando o transceiver nRF-24L01+® para ser utilizado no
monitoramento de sistemas elétricos no conceito de smart grid. O sistema completo
é composto de uma ou mais Unidades Remotas de Aquisição de Dados – URADs;
de várias Unidades de Sensoriamento Inteligente – USIs; e um Subsistema de
Controle Supervisório – SCS. A conexão entre a URAD e as USIs pode ocorrer
através de conexão cabeada (Ethernet, RS232, USB, CAN ou PLC) e sem fio (RF).
Cabem às URADs a aquisição, processamento e comunicação das grandezas com
pequena constante de tempo, enquanto que as USIs encarregam-se da aquisição de
grandezas com constantes de tempo maiores (temperatura, pressão, umidade, etc.).
Neste trabalho, tratamos do desenvolvimento e de testes de comunicação da USI.
Para estes testes as unidades são de 2 tipos: uma unidade mestre, responsável pela
requisição dos dados (sem fio) e pelo envio ao SCS (comunicação RS232, USB,
CAN ou RF); e uma unidade escravo, que pode ser responsável pela medição de
grandezas de interesse para envio à unidade mestre quando requisitada. Para a
comunicação sem fio (RF), utilizou-se o transceptor nRF-24L01+® da NORDICTM,
pois
suas
características
de
processamento
e
comunicação
atendem
satisfatoriamente às necessidades e exigências do projeto, que serão abordadas no
transcurso deste trabalho.
Descritores: Unidade de Sensoriamento Inteligente, Comunicação, Wireless,
Transceptor, Rádio-Frequência (RF), Eficiência.
Abstract
EVALUATION OF EFFICIENCY OF COMMUNICATION RADIO FREQUENCY
USING
TRANSCEIVER
NRF-24L01+®
FOR
MONITORING
ELECTRICAL
SYSTEMS IN THE SMART GRID CONCEPT.
Purpose: This work deals with the evaluation of the communication system by radio
frequency using the NRF-24L01+® transceiver to be used in monitoring of electrical
systems on the concept of smart grid. The complete system consists of one or more
Units Remote Data Acquisition - URDAs; multiple Smart Sensing Units - SSUs; and
Supervisory Control Subsystem - SCS. The connection between URAD and SSUs
may occur via wired connection (Ethernet, RS232, USB, CAN or PLC) and wireless
(RF). URADs fit to the acquisition, processing and communication of variables with
low time constant while the USIs are primarily responsible for the acquisition of
magnitudes with larger time constants (temperature, pressure, humidity, etc.). In this
work, we focus on development and communication of SSUs. For these tests the
units are of two types: a master unit, responsible for requesting data (wireless) and
sending the SCS (Communication RS232, USB, CAN or RF); and a slave unit, which
may account for the measured variables of interest to send to the master unit when
requested. For wireless communication (RF), the transceiver nRF - 24L01+® from
NORDICTM was used, because its processing characteristics and communication
satisfactorily meet the needs and requirements of the project, which will be
addressed in the course of this work.
Key words: Smart Sensing Unit, Communication, Wireless, Transceiver, RF,
Efficiency.
1
INTRODUÇÃO
INTRODUÇÃO 13
1
1.1
INTRODUÇÃO
CONCEITUAÇÃO E APLICABILIDADE DAS SMART GRIDS
Redes Elétricas Inteligentes - REIs (Smart Grids - SGs) é uma nova e
moderna concepção para infraestrutura de redes de energia elétrica que objetiva
melhorar a eficiência, confiabilidade e segurança, com uma integração harmoniosa
de fontes de energia renováveis e alternativas, através de tecnologias modernas de
comunicação e de controle automatizado [1]. Nas REIs, informações seguras e em
tempo real tornam-se o fator-chave para a entrega confiável de energia das
unidades geradoras para os usuários finais e, nesse fim, apresentam como
característica decisiva a capacidade de se autorrecuperar [2].
Esta nova concepção, que mudou paradigmas de décadas, surgiu da
necessidade de evolução e mudanças no setor elétrico, tornando-se uma solução
alternativa às já existentes, apesar de as mesmas não serem consideradas uma
tecnologia única ou uma tecnologia propriamente dita, mas sim um conjunto de
tecnologias (que podem ter abordagens diferentes para contextos diferentes) que
caminham para um mesmo fim [3]. Outro motivo que impulsionou as REIs foi o
aumento na demanda por energia e a interligação entre os sistemas, que exige uma
evolução do setor elétrico [4]. Portanto, o conceito de REIs foi formado em meio a
essa constante evolução, permitindo o uso mais eficiente da energia.
Ainda, segundo a Agência Internacional de Energia (International Energy
Agency – IEA), “uma Smart Grid é uma rede de eletricidade que usa tecnologia
digital para monitorar e gerenciar o transporte de eletricidade a partir de todas as
fontes de geração, encontrando uma variedade de demandas e usuários. Essas
redes estarão aptas a coordenar as necessidades e capacidades de todos os
geradores, operadores, usuários finais e stake holders do mercado de eletricidade,
de forma a otimizar a utilização e operação dos ativos no processo, minimizando os
custos e impactos ambientais enquanto mantêm a confiabilidade, resiliência e a
estabilidade do sistema [5].”
Portanto, percebe-se que o conceito de REIs não é único, exclusivo, mas sim
um conjunto de definições que convergem para o uso de elementos digitais e de
comunicações nas redes. Esses elementos possibilitam o envio de uma gama de
INTRODUÇÃO 14
dados que carregam informações para os centros de controle e operação. Nesses,
os dados são tratados e interpretados, de modo que se possa proceder à tomada de
decisão necessária, apesar de os sensores inteligentes dessas redes possuírem a
capacidade de tratar tais dados localmente, de acordo com a função a que se
proponha [6]. Também permitem estabelecer novas estratégias para gerenciamento
dessas redes [7].
Porém, vale ressaltar que não se deve confundir medição inteligente (smart
metering) com redes elétricas inteligentes. As REIs surgiram a partir das medições
inteligentes, necessidade esta para monitorar o comportamento da carga de grandes
consumidores. A partir dos avanços para essas medições, como a instalação de
equipamentos de comunicação, foi-se desenvolvendo uma nova tecnologia, uma
nova conceituação para se aplicar ao setor elétrico. Percebe-se, assim, que Smart
Grids são muitos mais abrangentes que smart meterings. Os avanços nas REIs
foram tantos que a medição inteligente hoje é uma pequena parcela de uma rede
inteligente, podendo até haver rede inteligente sem a existência da medição
inteligente.
Outro conceito muito relacionado às redes inteligentes são os sistemas
embarcados, que podem ser encontrados em várias atividades de nossa vida diária,
desde a energia elétrica enquanto insumo, passando por eletrodomésticos,
mecanismos de compensação não-linear, sistemas de automação complexos e
sistemas de controle adaptativo [8], [9].
Sistemas integrados evitam grandes perdas econômicas decorrentes de
falhas inesperadas e melhoram a confiabilidade do sistema e sua manutenção [10].
Assim, pela ótica da integração, uma rede inteligente pode ser vista como um
sistema integrado. Esses sistemas integrados podem consistir de um número de
dispositivos ligados a um computador através de uma rede local (LAN) [11].
Falhas são inerentes a qualquer tipo de sistema, porém, em sistemas
elétricos e eletrônicos eram bastante comuns e frequentes até pouco tempo ( dez
anos, por exemplo). Os equipamentos, além de disporem de poucas funções,
ocupavam muito espaço e demandavam uma complexa estrutura de cabeamento.
Caso houvesse descontinuidade nessa estrutura, alguns equipamentos poderiam
ficar completamente incomunicáveis, deixando o sistema ainda mais susceptível a
erros (podendo causar até blackouts). Porém, esses problemas devem ser evitados,
INTRODUÇÃO 15
principalmente em grandes sistemas (como os de concessionárias de energia
elétrica, usinas de geração ou redes de transmissão), nos quais é inadmissível a
inoperabilidade [12].
Assim, para colaborar com a prevenção dessas falhas, os sistemas
integrados podem fazer uso de uma Arquitetura de Rede Híbrida (ARH), que é uma
arquitetura de rede que utiliza na sua infraestrutura de comunicação tanto redes com
fio (cabeadas) como redes sem fio (wireless), e será detalhada no capítulo 2.
Outra solução importante nesse contexto de falhas são duas importantes
formas de integração: a primeira consiste em agregar mais recursos e integrar
funções (proteção, controle e comunicação), possibilitando além da economia de
espaço físico a rapidez na troca de informações, que é promovida pela concentração
dessas funções em um único equipamento; enquanto que a segunda envolve a
possibilidade de integrar os equipamentos, de forma que eles possam se comunicar
em tempos cada vez menores e transmitir dados em altas taxas (de 125Kbps a
1Mbps, conforme norma ISO11898) e com o mínimo de perdas [13]. Portanto, esse
desenvolvimento passou (e ainda passa) pelo processo de automação industrial,
que consiste em parte considerável na substituição de equipamentos analógicos por
digitais, e, consequentemente, informatização dos sistemas.
Os protocolos utilizados por esses dispositivos podem ser públicos (domínio
livre) ou proprietários, e isso implicará diretamente na eficiência dos sistemas
elétricos, pois protocolos proprietários vinculam o sistema elétrico aos equipamentos
de determinado fabricante, e esse fato pode ser um enorme empecilho para a
evolução do sistema; enquanto que os protocolos públicos permitem a troca de
equipamentos, inclusive de todo o sistema, a qualquer momento, promovendo a livre
concorrência entre os fabricantes e os forçando a aperfeiçoarem seus produtos.
Assim, pretendendo-se vencer essa barreira dos protocolos proprietários, essa
interoperabilidade vem sendo tratada de modo específico: no Brasil, por meio do
projeto SIBMA (Comitê ABNT/CB-03), cujo objetivo é conceber arquitetura e
diversas camadas de protocolos que sejam abertos, públicos e padronizados.
Nesse ponto, já existe uma tendência clara de uso de protocolos abertos
(padronizados pelas normas IEC 61850 e ICCP), principalmente em subestações e
centros de controle. Esses avanços na automação dos sistemas já proporcionam um
grau considerável de inteligência para os mesmos [6].
INTRODUÇÃO 16
Porém, ainda assim por vezes esbarra-se em dificuldades advindas de casos
específicos ou isolados, motivando a busca por soluções alternativas, que unam
confiabilidade, seletividade, redução do tempo, aumento da eficiência e melhoria do
custo-benefício (características básicas e necessárias a qualquer sistema elétrico)
[13].
De acordo com [14], há uma variedade de pesquisas que mostram as REIs
como solução no mercado. Elas podem ser encontradas de diversas maneiras –
sejam de hardware, sejam de software – para implementação das situações mais
variadas [2], [10], [15]. Diversos padrões para a implementação de REIs têm sido
apresentados, porém tais padrões podem sofrer alterações em função dos requisitos
do sistema, ou seja, das especificidades do sistema de cada região ou empresa; ou
da aplicação que se deseja [16]. A integração desses sistemas permite que evitemos
perdas
econômicas
decorrentes
de
falhas
inesperadas
e
melhoremos
a
confiabilidade do sistema.
De acordo com o [17], a aplicação de Power Line Communications – PLC em
redes elétricas inteligentes, no que se refere ao consumo da energia elétrica,
demonstra ser uma solução interessante. Em [18] os autores investigam os efeitos
da impedância de carga, o comprimento da linha e ramais em tais sistemas, com
ênfase especial em redes de distribuição elétrica, de modo a se avaliar sua
viabilidade. Ou seja, percebe-se que há um crescente interesse na aplicação de
tecnologias para controlar e proteger os sistemas elétricos, e, por consequência,
proteger os consumidores de efeitos indesejados na rede.
Neste momento, muitas empresas de energia são confrontadas com a
realidade das limitações de seus sistemas de controle, que normalmente são
convencionais
e
centralizados.
Sistemas
assim
podem
se
degradar
significativamente devido à sua complexidade para lidar com certos eventos da rede
elétrica, pois alguns eventos exigem uma enorme quantidade de dados para
gerenciá-las adequadamente.
Atualmente, Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (Intelligent Electronics
Devices - IEDs) e Processadores Digitais de Sinais (Digital Signal Processor - DSP)
que processam grandes quantidades de dados encontram-se à disposição. Alguns
esforços estão sendo realizados pelos fornecedores, anteriormente focados
INTRODUÇÃO 17
exclusivamente na aquisição e acesso aos dados e controles supervisórios,
buscando a integração de sistemas [10], [17], [19].
Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) desempenharão um papel fundamental
na ampliação das redes inteligentes para instalações industriais, comerciais e
residenciais, permitindo a utilização de diversas aplicações de gerenciamento, desde
a geração até o consumo. O equilíbrio eficiente entre oferta e demanda e a redução
das despesas com eletricidade e as emissões de carbono serão os benefícios
imediatos destas aplicações [2], [10], [20]. As RSSF tem como característica o baixo
custo e o baixo consumo de energia, além de apresentar nós multifuncionais de
sensores (esses nós coletam dados para fins de monitoramento, tais como
monitoramento do tempo e análise de tráfego) [21].
Essa variedade de tecnologias (sem fio, ethernet, fibra óptica, PLC, etc.) além
de minimizar alguns problemas, quando não os eliminam, possibilita a redundância
da informação (quando usadas combinadamente), reduzindo a possibilidade de
falhas, a facilidade de trafegar dados em locais remotos ou de difícil acesso,
simplicidade e facilidade na ampliação dos sistemas, etc.
O conjunto de tecnologias que formam as redes inteligentes pode ter
abordagens diferentes para contextos diferentes, como já afirmado. No contexto
atual deste trabalho, o sistema de energia elétrica é uma integração entre a geração
e o usuário final, e a qualidade da energia elétrica será uma consequência da
dinâmica da operação e da inserção de novas tecnologias no sistema elétrico de
potência [3]. Portanto, uma REI reúne características vantajosas de diversas
tecnologias em um único conceito, possibilitando diversas aplicações para os mais
variados sistemas. Ainda, trazem uma nova filosofia de operação, permitindo uma
comunicação entre equipamentos ou dispositivos em tempo real.
1.2
OBJETIVO
Este trabalho tem a finalidade de avaliar a eficiência da comunicação via
rádio-frequência utilizando o transceptor nRF 24L01+ integrado com controladores,
compondo, dessa forma, as Unidades de Sensoriamento Inteligentes (USIs). Essas
USIs monitoram e realizam o controle supervisório de sistemas elétricos de potência
industriais, comerciais e residenciais, trazendo uma nova perspectiva de informação
INTRODUÇÃO 18
que busca integrar um conjunto de sensores inteligentes com um sistema de
comunicação para diferentes aplicações em Smart Grid. A USI utilizada é baseada
em arquitetura híbrida para redes de comunicação, consistindo em infraestrutura
cabeada (CAN e USB) e sem fio (RF), como pode ser vista na Figura 1.
Figura 1 – Diagrama Geral de Blocos do Sistema de Monitoramento e Comunicação Proposto.
A partir desse objetivo geral, os seguintes objetivos específicos foram
desenvolvidos:

Integração eficiente entre o controlador e o transceptor nRF 24L01+,
formando a USI;

Comprovação
experimental
desse
sistema
de
monitoramento
e
comunicação;

1.3
Avaliação da eficiência da comunicação via rádio-frequência;
ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
O trabalho está organizado em sete capítulos. A divisão foi feita de acordo
com a sequência cronológica das etapas executadas, bem como de modo a
propiciar uma continuidade lógica para a compreensão do assunto. Os 2 últimos
capítulos trazem, respectivamente, algumas imagens dos testes realizados e as
referências utilizadas neste trabalho.
INTRODUÇÃO 19
Os capítulos 2, 3 e 4 formam a essência deste projeto, abordando
respectivamente meios de comunicação, sistema proposto: hardware e software e
resultados experimentais. Essa ordem fora escolhida de modo a conduzir a pesquisa
da melhor maneira possível, proporcionando um ganho gradativo de conhecimento
acerca do tema.
O capítulo 2, Rede Híbrida de Comunicação, aborda a revisão de literatura
acerca das principais tecnologias de comunicação que poderiam ser utilizadas no
projeto para se formar uma rede híbrida, com enfoque maior no que será objetivo
deste trabalho: comunicação wireless – rádio frequência.
Já no capítulo 3, sistema proposto: hardware e software, abordou-se o
sistema desenvolvido para realizar a comunicação; os componentes físicos do
sistema proposto de aquisição de dados e comunicação, descrevendo-se o módulo
transceptor nRF 24L01+® e o controlador Arduíno Uno; e detalhou-se a estrutura
hierarquizada entre as USIs mestre e escravo, a estrutura de organização entre o
SCS (visualizador dos dados) e as USIs mestre e os escravo, bem como a rotina de
execução de toda a estrutura.
O capítulo 4 trata dos resultados experimentais apresentados após a leitura
das unidades de sensoriamento, explicando a metodologia e os métodos utilizados
para se se realizar a comunicação entre as unidades transceptoras, bem como as
métricas definidas para comparação dos resultados.
No quinto capítulo, discute-se e compara-se o número de pacotes de dados
enviados (que servirão como parâmetro) com o dos pacotes recebidos, analisandose o percentual dessa relação (pacotes recebidos/pacotes enviados) e debatendo-se
as possíveis causas para as diferenças apresentadas, além de avaliar a
possibilidade de aproveitamento de tal dado. Em outras palavras, neste capítulo
avalia-se a eficiência da comunicação, propósito deste trabalho.
2
REDES HÍBRIDAS DE COMUNICAÇÃO
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 21
2
REDES HÍBRIDAS DE COMUNICAÇÃO
Hoje em dia, os sistemas de energia elétrica apresentam lacunas em termos
de capacidade de comunicação. No conceito de smart grid, em que sensores
inteligentes devem se comunicar uns com os outros, parte do processamento é
realizado localmente e, sendo assim, necessita-se de capacidade computacional de
grande porte para processar a quantidade de informações geradas. Para a
transmissão desses dados entre os diversos sensores, diferentes tecnologias de
comunicação (com infraestrutura cabeada ou sem fio) podem ser usadas.
As recentes melhorias das tecnologias de comunicação permitiram sistemas
de controle remoto com custos mais acessíveis, com capacidade de monitorar, em
tempo real, as condições de funcionamento e desempenho dos sistemas elétricos de
potência. Cada tecnologia de comunicação tem as suas vantagens e desvantagens,
que devem ser avaliadas para se determinar a melhor escolha em termos de
tecnologia de comunicação para a automatização dos sistemas. A fim de evitar
possíveis interrupções no fornecimento em sistemas de energia elétrica, devido a
falhas inesperadas, uma rede de comunicação híbrida, com características de
eficácia, altamente confiável, escalável, segura, robusta e com custo acessível, que
realize a comunicação entre o sistema sob análise e o centro de controle é
primordial. Esta rede de comunicação híbrida de alta performance também deve
garantir requisitos de qualidade de serviço (Quality of Service - QoS) muito rigorosos
para prevenir possíveis distúrbios e interrupções no fornecimento de energia.
O tipo de comunicação é parte essencial de qualquer projeto, especialmente
em se tratando de redes inteligentes, nas quais a bidirecionalidade na comunicação
e sua infraestrutura são vitais para o estabelecimento de uma ligação entre o meio
físico e o virtual de um sistema (a exemplo de uma subestação de energia elétrica),
e desses com os consumidores. Essa rede de comunicação constitui o núcleo desse
sistema, podendo operar com uma única tecnologia ou fazendo a combinação
dessas tecnologias de comunicação [21], [22].
Os sistemas elétricos, a depender da complexidade, exigem meios
específicos para comunicação. Também, dependendo da funcionalidade ou
condições de trabalho, podem demandar um ou outro tipo de comunicação. Assim,
alguns sistemas ou tecnologias de comunicação foram desenvolvidos para atender a
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 22
determinados casos, para apresentar soluções específicas; mas também há aqueles
que atendem a necessidades genéricas.
Existem no mercado diversas opções de comunicação para que os
equipamentos possam estabelecer a comunicação entre si, entre os sistemas e
entre fornecedores e consumidores, como o PLC (Power Line Communication), ,
redes Mesh, rádio-frequência (ZigBee, redes celulares – GPRS, etc.), fibra óptica,
CAN, Ethernet, satélite, entre outros [6]. Porém, os cinco tipos de tecnologia de
comunicação mais empregados (principalmente entre equipamentos ou entre
sistemas), além do cabeamento convencional por comunicação serial, são: PLC,
ethernet, CAN, comunicação sem fio e fibra óptica (seja utilizando a estrutura de
cabeamento existente, seja fazendo uso de uma estrutura dedicada). Esses serão
mais detalhados para prover um embasamento técnico e proporcionar uma melhor
compreensão deste trabalho, principalmente no que se refere ao seu foco: a rádio
frequência.
Inúmeros são os fatores a serem avaliados antes da escolha de um ou outro
tipo, ou até de mais de um tipo, como vantagens e desvantagens, fins para o qual se
pretenda aplicar, a topologia do sistema, o preço da tecnologia de comunicação, a
disponibilidade, o alcance, a viabilidade, o tipo de protocolo, etc. Este último deve
ser bastante avaliado, pois protocolos proprietários podem limitar a capacidade de
uma rede inteligente na medida em que não permitem expansões ou adaptações do
sistema, que impedem equipamentos de diferentes marcas de estabelecerem
comunicação, entre outros.
Essas tecnologias de comunicação mencionadas anteriormente são de alto
desempenho e devem garantir a qualidade do serviço para prevenir possíveis falhas,
interrupções ou distúrbios elétricos. Porém, para que o sistema funcione em perfeito
estado e atenda ao fim ao qual foi proposto, deve-se atender a algumas
considerações que são essenciais para configuração do sistema, a exemplo da
topologia de rede e dos requisitos da arquitetura (influencia no tempo de vida da
rede, nos algoritmos de roteamento e no alcance de comunicação dos nós
sensores). Esses requisitos são determinados segundo a aplicação das redes
inteligentes [21]. Essas tecnologias de comunicação, quando combinadas e
trabalhando simultaneamente, constituem a chamada rede híbrida. Esta arquitetura
possibilita um melhor desempenho do sistema, aliando as vantagens de cada um
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 23
para maximizar o resultado esperado, posto que um tipo de comunicação
complementa o outro ou supre sua deficiência.
O uso de ARH é interessante em muitos aspectos, dos quais destacam-se: (i)
a possibilidade de implantação de estruturas redundantes (a mesma informação é
enviada através de 2 ou mais meios de comunicação diferentes), aumentando a
confiabilidade [10], [23]; e, (ii) a adição de alguns fios na rede de sensores sem fio
pode não só reduzir o gasto médio de energia por nó sensor, como também a nãouniformidade no gasto de energia através dos nós sensores, resultando em uma
melhor condição operacional da rede (durabilidade) [4].
O sistema de comunicação avaliado neste trabalho é formado por, no
mínimo, 2 módulos sensores: um mestre e outro escravo, podendo este ser
composto por mais de um nó escravo. O módulo sensor mestre gerencia as
conexões entre os módulos escravos e realiza requisições a estes, enquanto o
escravo trata da aquisição dos sinais através dos sensores conectados aos mesmos
para quando for solicitado pelo mestre. Esses nós escravos realizam tarefas apenas
quando há alguma solicitação por parte dos mestres. Assim, os nós escravos
tornam-se responsáveis pela aquisição das grandezas de interesse.
2.1
COMUNICAÇÃO SERIAL
Até pouco tempo, a comunicação entre dispositivos ocorria quase que em sua
totalidade de modo serial. Esse tipo de comunicação é a que corriqueiramente se
chama de cabeamento comum, encontrado praticamente em qualquer tipo de
sistema. Contudo, o avanço da tecnologia já mudou bastante esse panorama,
apesar de essa ainda ser a forma mais usual e encontrada no dia a dia. Inclusive,
quando se encontra outra forma de comunicação, normalmente ela está
acompanhada da comunicação serial, pois uma grande vantagem da comunicação
serial em relação a outros tipos de comunicação (PLC, bluetooth, por exemplo)
reside no fato de poder ser utilizada tanto em comunicações para longas quanto
para curtas distâncias.
Uma comunicação serial pode ser implantada de diversas formas. No entanto,
duas bastante simples e que são muito usuais são a comunicação RS-232 e a USB,
indicadas para conexões a curtas distâncias (dispositivos no mesmo ambiente, por
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 24
exemplo). Estes modos de comunicação
serial são um padrão para o
envio/recebimento serial de dados binários entre um terminal e um comunicador de
dados.
Contudo, o tráfego de dados seriais não ocorre de maneira uniforme no canal.
Utilizam-se
pacotes que
carregam
informações
regulares para
realizar a
transmissão. Essa transmissão não ocorre de modo contínuo, pois ela é seguida de
pausas. No entanto, a transmissão pode ser realizada em um único canal ou em
mais de um. Nesse ponto, surge uma diferenciação nesse modo de transmissão,
podendo ocorrer de modo síncrono (um sinal de clock em separado é associado com
o dado) ou assíncrono (não há sincronização entre receptor e transmissor).
A taxa de comunicação da transmissão (baud rate) representa o número de
eventos, ou mudança de sinal, que ocorrem em um segundo (e não o número de bit
por segundo). As taxas mais usuais estão entre 110 e 19200 bauds.
2.2
CAN BUS – CONTROLLER AREA NETWORK
CAN Bus é um modelo de barramento para comunicação desenvolvido pela
empresa BOSCHTM na década de 80, como meio de suprir a interligação e
comunicação entre equipamentos eletrônicos embarcados em veículos automotores
[24]. Fisicamente, o CAN BUS é constituído por 2 condutores para comunicação de
dados, o que torna o projeto simples e barato, podendo no mesmo barramento ser
conectados diversos nós de sistemas. Atualmente, tem larga aplicação na indústria
de automação, aplicações médicas e automação residencial devido aos baixos
custos, implementação facilitada e confiabilidade de comunicação.
O protocolo CAN utiliza comunicação serial assíncrona e a operação é
baseada no conceito de multi-mestre, no qual todos os módulos podem tornar-se
mestre em determinados momentos e escravo em outros. Por possuir um
barramento único onde todos os nós estão conectados, as mensagens são
transmitidas em modo multicast, sendo enviadas para todos os nós da rede.
O protocolo é fundamentado no conceito CSMA/CD with NDA (Carrier Sense
Multiple Acess/Collision Detection with Non-Destructive Arbitration) [25], similar ao
utilizado nas redes Ethernet. Com isso, cada módulo verifica o estado do
barramento, analisando se há outra comunicação em andamento com maior
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 25
prioridade. Dessa maneira, o módulo que tiver a menor prioridade cessará sua
transmissão, permitido que o de maior prioridade possa continuar.
As especificações para uso do CAN são regidas por duas normas: ISO11898,
que especifica as características de uma rede operando em altas velocidades
(125kbps a 1Mbps); e ISO11519-2, para baixas velocidades (10Kbps a 125Kbps).
Ambas especificam a camada Física (camada 1) e de Dados (camada
2),
considerando o padrão de comunicação OSI de 7 camadas (ISO7498). Podem-se
destacar alguns padrões normatizados, nos quais se aplica a utilização do CAN:

NMEA 2000: Baseado no CAN 2.0B e utilizado em aplicações navais e
aéreas.

SAE J1939: Baseado no CAN 2.0B e utilizado em aplicações automotivas,
especialmente ônibus e caminhões.

DIN 9684 – LBS: Baseado no CAN 2.0A e utilizado em aplicações agrícolas.

ISO 11783: Baseado no CAN 2.0B e também utilizado em aplicações
agrícolas.
2.3
PLC - POWER LINE COMMUNICATION
Só a partir dos anos 90 que este tipo de comunicação ganhou atenção para
ser pesquisado e desenvolvido, apesar de já existir há quase um século. Desse
modo, ainda apresenta problemas técnicos (ruído, alta atenuação e distorção, etc.),
mas de antemão mostra-se bastante útil, pois por meio de uma PLC pode-se utilizar
a infraestrutura existente de rede elétrica para transmitir dados (sinais de
telecomunicação, por exemplo) e eletricidade simultaneamente por um mesmo meio
físico, sem que um cause nenhum tipo de interferência no outro [22].
A PLC trabalha na camada 2 do modelo ISO (International Organization for
Standardization) ou seja, na camada de enlace de dados. Sendo assim, pode
trabalhar em conjunto com outras tecnologias da camada 2. Além disso, devido a
essa sua característica de trabalhar na camada de enlace, pode ser agregada a uma
rede TCP/IP (Transmission Control Protocol/internet Protocol) já existente. A rede
TCP/IP faz parte da camada 3, ou seja, é possível o intercâmbio entre as camadas.
O princípio básico de funcionamento da PLC é fundamentado na diferença
significativa de faixa de frequência com que opera os 2 tipos de sinais, pois a
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 26
frequência dos sinais de conexão é na faixa de MHz (geralmente de 1 a 30 MHz),
enquanto que a da energia elétrica é apenas em Hz (cerca de 60 Hz). Sendo assim,
os 2 sinais podem transitar pelo mesmo meio harmoniosa e independentemente, já
que a presença ou ausência de um deles em nada interfere no outro.
As principais vantagens desse meio de comunicação são o custo e a vasta
cobertura, uma vez que no mundo todo se encontra energia elétrica sendo
transportada das concessionárias para os consumidores pelas linhas elétricas de
transmissão ou distribuição, além do fato de que qualquer ponto de energia pode ser
transformado em ponto de rede. Ambas justificam-se pela possibilidade de uso da
infraestrutura de rede existente, economizando material para instalação e tendo em
vista a predominância da rede elétrica cabeada em qualquer parte do mundo. O fator
“custo” demanda poucos recursos financeiros (quando comparado a outras
tecnologias de comunicação) para obtenção dos resultados esperados, seja na
implantação, seja na manutenção; enquanto que o fator “cobertura” não apresenta
limitação significativa, ou seja, mostra-se como alternativa para situações nas quais
uma extensa cobertura seja exigida devido às exigências do projeto [21] [22]. Outra
vantagem relevante dessa tecnologia é que ela suporta altas taxas de transmissão
(podendo chegar a 200Mbps) em várias frequências entre 1,7 MHz e 30 MHz.
No entanto, apesar de apresentar vantagens, também podem ser citadas
algumas desvantagens, a exemplo de sua possibilidade de lentidão devido a ruídos
ou a muitos acessos simultâneos, do fato de poder funcionar como fonte de ruído
(causando interferência em outros equipamentos que utilizem radio frequência, a
exemplo de receptores de rádio), de apresentar problemas com circuitos abertos, a
alta atenuação e distorção do sinal, o baixo nível de segurança, a falta de regulação
para banda larga PLC, a perda de comunicação caso ocorra problemas na rede
elétrica, dentre outros [21].
A PLC pode ser encontrada em 2 tipos: indoor e outdoor. No tipo indoor, a
transmissão é feita usando a rede elétrica interna de algum sistema. Já no tipo
outdoor, faz-se a transmissão usando a rede pública externa de energia elétrica da
concessionária. Os 2 tipos podem ser utilizados em redes inteligentes, sendo sua
escolha baseada nessas características apresentadas.
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 27
2.4
ETHERNET
Ethernet é uma tecnologia de rede que define padrões para transmissão de
dados e o modo como devem ocorrer as conexões de redes locais (Local Area
Network - LAN), tais como o modo como será feita a instalação física, as conexões
elétricas e as conexões lógicas entre os dispositivos de uma rede. A norma IEEE
802.3 é quem fundamenta essa padronização. A Ethernet está largamente difundida,
sendo bastante utilizada, principalmente porque o preço de tal rede não é muito
elevado. Desde 1972 se utiliza essa tecnologia de comunicação.
A comunicação via Ethernet segue o princípio de que todas as máquinas de
uma rede estão conectadas a uma mesma linha de comunicação. Esse princípio é
baseado no conceito original da Ethernet: um único cabo promove a comunicação
compartilhada entre todos os dispositivos da rede. Partindo desse princípio, vê-se
que qualquer dispositivo que esteja conectado ao cabo pode se comunicar com
qualquer outro dessa rede. Assim, uma enorme vantagem desse tipo de
comunicação é que se permite que a rede se expanda para acomodar novos
dispositivos, não causando prejuízo ou implicando em modificações para os
dispositivos antigos.
Características importantes são a detecção de colisão, regra de repetidores
e, uma das mais importantes: o modo de transmissão, podendo ser half-duplex e fullduplex. A diferença básica entre esses modos de transmissão consiste na
simultaneidade das transmissões, pois no modo half-duplex cada estação ou
transmite ou recebe, enquanto no modo full-duplex as estações podem transmitir e
receber ao mesmo tempo.
A padronização Ethernet já se desenvolveu tanto que hoje existem outras
padronizações fundamentadas no conceito original da mesma, porém com
evoluções agregadas. O tipo e o diâmetro dos cabos utilizados distinguem essas
alternativas de tecnologias Ethernet. As duas principais padronizações são a Fast
Ethernet e Gigabit Ethernet, cujas velocidades de transmissão podem chegar a
100Mbps
e
1.000Mbps,
respectivamente.
Uma
mudança
significativa
das
padronizações anteriores para a Fast e a Gigabit Ethernet foi o fato de ter agregado
valor ao tráfego de dados, de voz e de vídeo.
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 28
O princípio de transmissão da tecnologia de rede Ethernet utiliza um protocolo
chamado CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect). Esse
protocolo é de acesso múltiplo com vigilância de portador e detecção de erros e
descreve como o protocolo de Ethernet regula a comunicação entre os nós de uma
rede.
O meio físico que une os dispositivos conectados à rede pode ser um cabo
coaxial (de cobre, em geral), um cabeamento de par trançado ou a fibra ótica. O
cabo coaxial já foi muito utilizado, entrando praticamente em desuso após o
surgimento do cabeamento de par trançado, hoje predominante para esse tipo de
tecnologia.
Após o sinal ser lançado na rede, trafegando pelo meio físico, é
imprescindível que ele carregue consigo um endereço de destino, posto que esse
sinal passará por todos os nós que compõem a rede e precisará identificar seu
destinatário [23]. Esse endereçamento para esse tipo de rede é conhecido como
endereço mac unicast, que funciona da seguinte forma: um frame com endereço de
destino igual ao endereço mac unicast é direcionado para cada nó da rede. Cada nó
receberá e processará esse tipo de frame.
Contudo, apesar de todas as vantagens dessa tecnologia de rede, ela se
limita devido à distância entre os nós da rede, pois distâncias grandes reduzem
significativamente os sinais elétricos, que devem se propagar rapidamente para
atingir seu fim. Ou seja, os sinais tornam-se mais fracos com a distância e a
interferência de aparelhos elétricos. Assim, um cabo de rede deve ter apenas o
comprimento suficiente para interligar os dispositivos, de forma a evitar excessos,
fazendo com que os dispositivos em cada nó recebam o sinal sem interferências e
sem atraso.
A tecnologia Ethernet vem modificando cosideravelmente o panorama das
redes de comunicação. Fatores responsáveis por essa mudança são sua
disponibilidade, eficiência e relação custo-benefício. Para promover essa expansão
da Ethernet, switches estão sendo implantados por longos caminhos para
comunicação de redes de acesso [22].
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 29
2.5
COMUNICAÇÃO VIA FIBRA ÓPTICA
Também conhecida como transmissão guiada de luz, este meio de
comunicação é um dos mais recentes e também um dos que apresenta a melhor
relação custo/benefício, não transmitindo dados do mesmo modo do cabeamento
convencional, mas sim através da luz. Ao contrário de outros meios, não sofre
significativa limitação em sua transmissão, proporcionando altas taxas de
transferência (comunicação mais eficiente). Estudos recentes apontam uma
velocidade de 300.000Km/s e uma taxa de transferência de até 73,7Tbps [26],
contra 1Gbps da Gigabit Ethernet ou 300Mbps da tecnologia 802.11n wireless
(aprovado oficialmente pelo IEEE).
Um dos motivos dessas altas taxas de transferência é o alto grau de pureza
desse meio de comunicação, o que é incomum nos materiais. Daí, todo sinal é
transformado em luz, por meio de conversores, e transmitidos através de fibras de
vidro. Esses sinais podem ser convertidos por lasers ou por LEDs, que representam
os modos de transmissão: monomodo e multimodo, respectivamente.
O tipo monomodo trabalha com os dados de forma a atendê-los um a um,
como se fosse um modo serial. Apresenta um grau menor de dispersão quando
comparado ao multimodo, transmitindo por longas distâncias (Kilômetros). A
dispersão é um fenômeno que ocorre quando há diferença entre as velocidades de
propagação, sendo a responsável por limitar as taxas de transmissão. Esse grau
menor de dispersão é visto como diferencial, uma vez que os impulsos que
representam os sinais a serem transmitidos sofrem menos alterações em sua forma,
pois na fibra multímodo se permite que a transmissão da luz dentro da fibra ocorra
de vários modos, e isso provoca um efeito chamado de dispersão modal devido às
velocidades diferentes de cada modo de transmissão. Também se diferencia por
transmitir em velocidades superiores, uma vez que apresenta uma maior largura de
banda em relação à multimodo.
Já a multimodo transmite vários dados ao mesmo tempo, motivo pelo qual
reduz sua velocidade e limita sua distância de transmissão. É indicado para redes
cujas distâncias sejam mais curtas (metros). Assim, percebe-se que cada uma
apresenta características peculiares e aplicações específicas.
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 30
Outras vantagens, em geral, que podem ser destacadas pelo uso das fibras
ópticas
são
sua
leveza,
baixa
atenuação,
imunidade
a
interferências
eletromagnéticas (Electromagnetic Interference - EMI) e radiofrequência indutiva
(RFI), enorme largura de banda, disponibilidade em abundância de matéria-prima,
seu alto nível de segurança, isolamento elétrico e o fato de poder prover suporte
para distâncias ainda mais elevadas quando se utilizando de repetidores (tornado-a
quase ilimitável em termos de distância).
Poucas são as desvantagens da fibra óptica, tais como a fragilidade da fibra
de vidro, a falta de padronização e, talvez a principal limitação à sua escolha: seu
alto custo de instalação que, embora já tenha sido bastante reduzido devido aos
avanços e descobertas, continua bastante superior ao das demais tecnologias
existentes no mercado. Apesar dessas limitações, seu uso está sendo bastante
difundido e largamente utilizado, haja vista que para determinadas configurações de
sistemas o custo torna-se insignificante diante das vantagens oferecidas – e por
vezes exigidas.
Em geral, o tipo de cabo de fibra óptica mais utilizado em comunicação de
sistemas elétricos é o multimodo, uma vez que o diâmetro é maior e, sendo assim, é
possível transitar mais de um sinal através principalmente de LEDs. Além de outras
características, essa particularmente torna-a a mais indicada para redes locais. Para
redes com distâncias mais longas, o mais indicado é o monomodo (com baixo índice
de utilização para a aplicação em questão devido aos motivos anteriormente
expostos).
2.6
RÁDIO FREQUÊNCIA
Outro meio de comunicação com uso mais frequente recentemente é a
comunicação sem fio, podendo transmitir informações a curtas ou longas distâncias.
A comunicação sem fio pode ser encontrada em algumas modalidades, como
comunicação bluetooth, via satélite, rádio frequência, etc. Sua maior vantagem é o
fato de não necessitar estar fixa para se realizar a comunicação, ou seja, sua
transportabilidade. Em outras palavras, a mobilidade proporcionada por esta
tecnologia é sua característica mais marcante.
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 31
Este tipo de comunicação apresenta inúmeras vantagens, principalmente
quando comparado ao cabeamento convencional, como a redução de custos,
tornando-se ainda mais significativa a depender da infraestrutura utilizada, pois, uma
vez que não utiliza cabos, pode minimizar significativamente o orçamento final [21],
[22].
O rádio, a microonda, o raio infravermelho e os trechos luminosos do
espectro podem ser usados na transmissão sem fio de informações, desde que
sejam moduladas a amplitude, a freqüência ou a fase das ondas. A luz ultravioleta, o
raio X e o raio gama representariam opções ainda melhores, já que têm freqüências
mais altas, mas eles são difíceis de produzir e modular, além de não se propagarem
através dos prédios e serem perigosos para os seres vivos [27].
Exemplos de redes sem fio podem ser encontrados em qualquer lugar no
cotidiano, apesar de normalmente passarem despercebidas. A transmissão de
dados pela internet via roteadores e outros equipamentos configuram um exemplo
clássico de uma rede wireless, além das ondas de rádio (transmitindo e recebendo
via transceptor) utilizando uma frequência específica.
Em um cenário onde os dados monitorados podem estar distantes e não há
ligação física (cabeada), os dados coletados a partir dos dispositivos de
monitoramento podem ser transmitidos através de uma interface sem fio, fácil de
implementar e de uma maneira mais barata em comparação com a comunicação
com infraestrutura cabeada padrão (por exemplo, via fibra ótica ou par trançado).
Essa comunicação se dá, neste trabalho, por meio de rádio frequência, em
que
informações
são
transmitidas
previamente
codificadas
em
um
sinal
eletromagnético que se propaga no espaço. O volume de informações que essas
ondas eletromagnéticas são capazes de transportar está diretamente relacionado à
sua largura de banda [28]. Para que essa comunicação ocorra, faz-se necessário
que haja um transmissor, responsável por converter as informações em ondas
eletromagnéticas; um meio de transmissão e um receptor, cuja finalidade é de
decodificar as ondas e recuperar a mensagem original. Para realizar esse tipo de
comunicação, também se pode utilizar o transceptor, que é um único dispositivo que
desempenha as duas funções, transmissão e recepção.
Assim, pode-se concluir que alguns fatores tornam-se imprescindíveis em
relação a esses 3 parâmetros relacionados anteriormente: quanto ao transmissor,
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 32
sua potência de transmissão; quanto ao receptor, sua sensibilidade de recepção; e
quanto ao meio de transmissão, a distância entre transmissor e receptor, a
velocidade de deslocamento no espaço de uma onda de rádio e a frequência da
onda, pois esta é influenciada pelas condições da atmosfera terrestre e da natureza
do solo entre os pontos de transmissão e recepção.
A transmissão pode ser unidirecional, também conhecida como simplex;
duplex, ocorrendo bidirecionalidade na transmissão e simultaneidade e half-duplex,
de forma que a transmissão é bidirecional, mas não simultânea, ou seja, os
equipamentos transmitem um de cada vez.
Esse tipo de comunicação (rádio frequência) apresenta inúmeras vantagens,
tais como seu longo alcance, custo efetivo de implantação e manutenção, o
desenvolvimento de tecnologias para recuperação de sinais, a heterogeneidade para
transmissão de arquivos (áudio, vídeo, imagens ou dados, independente do tipo) e,
principalmente, o fato de não necessitar de ligações físicas, como o cabeamento
para transmissão. Essas características propiciam alta flexibilidade para a rede.
No entanto, a latência, a vulnerabilidade às mudanças das condições
atmosféricas e a outros tipos de sinais (havendo sinais interferentes próximos ao
transmissor ou receptor, a comunicação pode permanecer bloqueada por certo
período de tempo), as taxas de dados limitadas e aplicações em tempo real são
desvantagens observadas usando este tipo de tecnologia. A disponibilidade do
serviço pode ser aumentada usando repetidores, mas isso implica em aumento de
custo, que não é desejado [29].
Algumas dessas características (vantagens e desvantagens) podem ser
explicadas pela relação direta que mantêm com os 2 parâmetros principais de uma
onda eletromagnética: frequência e comprimento de onda, que são inversamente
proporcionais. Ou seja, quanto maior a frequência, menor será o comprimento de
onda e, consequentemente, menor a distância a ser percorrida pelo sinal. Além
disso, altas frequências são mais propensas a maiores atenuações nos sinais, e isso
significa perda na intensidade do sinal.
Para classificação da qualidade dos sinais na rádio frequência utiliza-se a
relação sinal/ruído, que é uma medida do sinal recebido comparado ao ruído
agregado ao sinal, medido em decibel (dB). Mas a potência total de transmissão em
redes wireless é medida em decibel miliwatts (dBm) [30]. Para amplificar o sinal é
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 33
necessário dar um ganho nele, que é feito por meio de amplificadores, permitindo
que as ondas de rádio frequência tenham um alcance mais longo. Porém, em
contrapartida, à medida que a distância aumenta também aumenta a atenuação no
sinal, em que a qualidade desse sinal torna-se cada vez mais baixa. Os
amplificadores podem corrigir essa atenuação até determinada distãncia.
O uso de amplificadores ou o aumento nas distâncias causam um aumento
no consumo de energia, mas esse consumo também pode ser afetado por outros
aspectos, como o tipo de modulação, a taxa de transferência de dados e a
transmissão de energia, pois a potência de um sinal é sua quantidade de energia
transferida no tempo. Dessa forma, visando um baixo consumo de energia, podemse configurar os nós para que eles permaneçam no modo de economia de energia
enquanto não houver necessidade de execução de suas funções, desde que eles
retornem ao estado ativo em poucos microssegundos para não implicar em perda de
dados. Assim, além de propiciar economia de energia para a bateria, também se
extende a vida útil da rede [23].
O sinal eletromagnético em seu trajeto de transporte de informações entre 2
ou mais pontos também pode sofrer um processo denominado de reflexão,
ocorrendo sempre que a onda eletromagnética encontrar um obstáculo maior que
seu comprimento de onda. Caso esse obstáculo lhe seja favorável, a onda será
refletida. Porém, nesse processo de reflexão a onda pode ser distorcida ou ter sua
amplitude aumentada, pois apresentará uma frente de onda para cada ponto de
reflexão, deixando-a com diversas frentes de onda, em que cada frente pode tomar
distintas direções. Se essas ondas refletidas chegarem com a mesma fase do sinal
original ao receptor, haverá ganho no sinal; se chegarem desafadas, haverá redução
na amplitude do sinal.
Além do mais, no trajeto entre a antena transmissora e a receptora a onda
pode esfraquecer-se por percorrer espaços livres ou espaços abertos. Essa perda
ou atenuação pode ser calculada nos 2 casos. No primeiro, por meio do
comprimento de onda do enlace e da distância percorrida pela onda; no segundo,
por meio da relação entre os raios total e o da área livre [31]. No entanto, como as
perdas ou atenuações nos sinais não são focos deste trabalho elas não serão
calculadas.
REDE HÍBRIDA DE COMUNICAÇÃO 34
A onda eletromagnética também pode ser enfraquecida pelas interferências
eletromagnéticas (EMIs) existentes no ambiente, pois essas EMIs são campos ou
ondas elétricas ou magnéticas que podem, ou não, alterar o funcionamento ou
danificar algum equipamento, podendo ser de origem natural ou artificial, e serem
radiadas (pelo ar), conduzidas ou induzidas. Os ventos e as descargas atmosféricas
são classificados como EMIs de origem natural que são radiadas, e podem
influenciar em uma comunicação via rádio frequência [32].
Segundo [30], “os principais obstáculos a uma comunicação sem fio são as
superfícies metálicas que não estejam dentro do sistema de comunicação, materiais
densos ou a própria densidade de gases da atmosfera, corpos com grande
concentração de líquidos, agitação térmica de elétrons (ruídos elétricos), entre
outros. As superfícies metálicas externas ao sistema de comunicação são
obstáculos difíceis para o sinal porque o metal reflete a maior parte do sinal,
deixando apenas uma pequena parte desse sinal passar. Em materiais densos,
como concreto e pedra, o sinal é absorvido. Nas paredes leves, feitas com tijolos
furados, ocorre uma menor absorção do sinal do que em paredes feitas com tijolos
maciços. As lajes e as vigas de concreto absorvem mais sinal do que as paredes,
sejam elas de tijolo, concreto ou pedra. Os corpos com grande concentração de
líquidos também absorvem sinal, como aquários, piscinas, caixas dágua ou até
mesmo o corpo humano. Sinais oriundos de diferentes sistemas de comunicação
que estejam próximos ao sistema de comunicação que se quer utilizar e operem na
mesma frequência de transmissão também são obstáculos preocupantes, além de
fornos de microondas ligados que operem em 2,4GHz, pois suas ondas podem
interferir em redes wireless. Esses fornos, em seu interior, trazem uma grade
metálica para evitar que o sinal de onda escape, mas, comumente, é possível que
uma pequena porção do sinal escape e interfira no sinal de redes wireless. Ruídos
existentes durante a transmissão podem dificultar a identificação do sinal.” Seguindo
esse mesmo raciocínio quanto ao forno de microondas, microondas de telefonia
celular também podem causar algum prejuízo às redes wireless.
3
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 36
3
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE
Neste capítulo, são apresentados o sistema de comunicação desenvolvido e
seus componentes, os componentes do sistema responsável pela aquisição e
monitoramento dos dados, e a estrutura hierarquizada entre os sensores escravos e
o sensor mestre, a estrutura de organização entre o SCS (visualizador dos dados), o
mestre e os escravos, e a rotina de execução de toda a estrutura.
O intuito do desenvolvimento desse sistema de comunicação é para ser
utilizado em centrais de controle e monitoramento de energia elétrica, subestações
elétricas, bem como em centrais correlatas que se pretenda promover uma
inteligência na rede, proporcionando uma rede com informações redundantes e que
evite perdas ou falhas inesperadas, ou seja, uma rede de comunicação mais eficaz.
3.1
SISTEMA DE MONITORAMENTO COMPLETO (DESCRIÇÃO)
Nesta seção, apresentado-se o sistema de monitoramento completo, e,
inserido
neste
sistema,
as
USIs
operando
como
elementos
de
aquisição/processamento/comunicação para as grandezas de alta constante de
tempo. Este sistema foi desenvolvido para realizar a comunicação via rádio
frequência e, na ausência ou falha desse meio de comunicação, através do
barramento CAN. No entanto, como o objetivo deste trabalho é verificar a eficiência
da comunucação via frequência, o barramento CAN permanacerá desabilitado na
maior parte dos testes.
As USIs utilizadas para realizar a aquisição/processamento/comunicação
tem um baixo custo de aquisição: cerca de $17,00. Compõe uma USI o arduino Uno
e o transceptor nRF 24L01+, tendo como custos $ 14.00 e $ 3.00, respectivamente
(ambos novos). Devido essa sua característica de baixo custo e bom desempenho
para as aplicações às quais se propõe, possibilitam uma distribuição em larga escala
do sistema. Esse é um fator decisivo para escolha dos componentes dessa USI.
A Figura 2 apresenta o diagrama geral de blocos do sistema de
comunicação proposto, e a Figura 3 o diagrama simplificado.
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 37
Figura 2 – Diagrama Geral de Blocos do Sistema de Monitoramento e Comunicação Proposto.
Simplificadamente, o sistema assim se dispõe:
Figura 3 – Diagrama Simplificado de Blocos do Sistema de Monitoramento e Comunicação Proposto.
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 38
O sistema de comunicação proposto nas Figuras 2 e 3 foi estruturado em 2
redes: uma sem fio (RF), composta por rádios transceptores para comunicação entre
as USIs escravo e mestre; e outra com fios, utilizando a porta serial USB, para a
comunicação entre a USI mestre e o SCS. O barramento CAN também podia ser
utilizado para comunicação entre USIs mestre e escravo, ou até mesmo para servir
como meio alternativo de comunicação, caso o meio principal venha a falhar, mas foi
descartado deste trabalho por não ser seu objetivo, tendo sido utilizado em apenas 1
conjunto de testes.
A USI mestre é composta por um único nó, sendo um controlador e um
transceptor nRF 24L01+. Tem como atribuição realizar solicitações aos escravos
para
posteriormente
enviar
seus
possíveis
relatórios
a
um
equipamento
concentrador de dados. A conexão para a realização dessas solicitações e a
transmissão dos dados solicitados é feita via RF, mas esta solicitação e transmissão
também poderiam ser feitas através do barramento CAN. Para fins de possibilitar
uma rede inteligente redundante o barramento CAN foi utilizado apenas no primeiro
conjunto de testes, e, como se constatou nesse primeiro conjunto de testes o
hibridismo da rede possibilitado por ele e pela rádio frequência (o CAN realizando e
comunicação quando na falha ou ausência da rádio frequência), não foi mais
utilizado neste trabalho por não ser o objeto de estudo, bem como os resultados
desse primeiro conjunto de testes só contemplarão os pacotes de dados enviados
pela rádio frequência.
Além de realizar as solicitações, a USI mestre tem por função realizar a
transmissão dos dados monitorados para um ponto externo, que pode ser uma
central de operação. Porém, apesar das diferenças existentes entre mestre e
escravo, estes apresentam uma semelhança: a arquitetura de comunicação dos
módulos.
O diagrama de blocos do mestre pode ser observado na Figura 4.
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 39
Figura 4 – Diagrama de Blocos da Unidade de Sensoriamento Mestre.
A USI escravo constitui-se de um controlador e um transceptor sem fio nRF
®
24L01+ , pois não contempla o sistema de medição, mas apenas de transmissão e
recepção. Também apresenta a possibilidade de conexão via transceptor CAN,
embora não utilizado neste trabalho por não ser o objeto de estudo.
Ela possui entradas analógicas e digitais, sendo este um dos pontos que os
diferenciam do nó mestre, pois essas entradas são utilizadas no processo de
aquisição das grandezas pelos sensores. As USIs escravo são endereçadas para
que sejam identificadas e possam responder às requisições. Outro ponto de
distinção entre os referidos nós é que o nó mestre utiliza-se de uma comunicação
serial, via porta USB, para comunicação com o SCS.
O diagrama de blocos simplificado de um nó escravo é mostrado na Figura
5.
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 40
Figura 5 – Diagrama de Blocos da Unidade de Sensoriamento Escravo.
O objetivo é avaliá-lo, através da rede sem fio, na presença de influências
externas, sendo algumas delas: fontes de interferências (roteador wireless) e
obstáculos físicos (obstáculos de concreto e vidro).
O sistema desenvolvido está configurado da seguinte maneira: a USI
escravo tem como função realizar a leitura do que lhe é solicitado, realizar o
processamento desse pacote de dado e, em seguida, realizar o envio dos pacotes à
unidade mestre. Esse envio foi configurado para ser realizado a cada 20 ms, de
modo a não tornar demorado o teste, uma vez que em cada teste são enviados
1.000 pacotes de dados. As funções da USI escravo são definidas em seu código
fonte pelo operador do sistema.
Apesar de esse tipo de transceptor apresentar como características robustez
e eficiência na comunicação, esses 2 parâmetros podem diminuir consideravelmente
quando na presença de influências externas (por exemplo distância entre as
unidades, obstáculos físicos entre as mesmas ou, até mesmo, outros sistemas que
se utilizem de transmissão sem fio, Bluetooth, radiofrequência, etc.).
Após recebidos os pacotes, a USI mestre envia-os ao SCS para a exibição
dos resultados. A comunicação entre o SCS e a USI mestre ocorre via conexão
USB. Os resultados são exibidos à medida que vão sendo recebidos pelo SCS. No
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 41
trabalho em questão, cada solicitação é responsável pela aquisição de 1000 pacotes
que são enviados um a um a cada 20 ms.
Sendo assim, a partir da descrição desse sistema de monitoramento
completo, serão abordados seu Hardware e Software, proporcionado uma
compreensão mais detalhada de cada componente e de como eles executam suas
atribuições.
3.2
HARDWARE
3.2.1 Módulo transceptor nRF 24L01+®
Os pacotes dos nós sensores são transmitidos para a USI mestre através de
uma rede sem fio, via RF, utilizando o módulo transceptor nRF 24L01+®; e da USI
mestre para o SCS pela rede cabeada. O nRF 24L01+® é um circuito integrado ativo
que compõe o módulo transceptor em conjunto com uma antena, conectores e
componentes passivos. Este módulo transceptor é baseado nesse chip da Nordic
Semiconductor™, o nRF24L01+, e combina as características de transmissor e de
receptor. Essa combinação utiliza componentes de circuitos comuns para que o
dispositivo possa desempenhar ambas as funções em um mesmo aparelho.
Este módulo RF é um dispositivo desenvolvido para diversas aplicações sem
fio, como periféricos sem fio de computadores, mouse ou teclado sem fio,
automação residencial e comercial, etc. Traz uma antena integrada, o que dispensa
o uso de um dispositivo externo, tendo ainda 126 canais que operam em uma faixa
de frequência de 2,400 a 2,525 GHz em banda (ISM – Industrial, Scientific and
Medical). Essa frequência de operação de 2,4 GHz apresenta como vantagem ser
de livre licenciamento, e isso é um diferencial, pois diversos dispositivos e
tecnologias utilizam-na para comunicação.
Sua configuração é feita através da Interface Serial Periférica (SPI – Serial
Peripheral Interface), que é um protocolo baseado no conceito de mestre-escravo
em que se permite a comunicação serial de um dispositivo com diversos outros,
estabelecendo-se uma rede. Por meio desta configuração habilita-se algum dos 126
canais disponíveis para comunicação para que esta se estabeleça, pois duas
unidades transceptoras só estabelecerão uma comunicação caso estejam utilizando
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 42
o mesmo canal. A escolha desse canal é de suma importância, pois diversos
dispositivos e tecnologias utilizam a frequência de 2,4 GHz. Cada canal ocupará
uma largura de banda inferior a 1 MHz, se configurado para uma taxa de
transmissão de 250 Kbps ou 1 Mbps; ou uma largura de banda inferior a 2 MHz,
caso tenha sua taxa de transmissão configurada para 2 Mbps. O nRF 24L01+® foi
utilizado neste trabalho com a configuração padrão, que é 1 Mbps [33], pois combina
características de alcance da comunicação (uma das condições de teste) e
velocidade da transmissão. Foi habilitado para realizar a comunicação utilizando o
canal 11 para coincidir com o canal utilizado pela rede Wi-Fi adotada nos testes.
O dispositivo nRF 24L01+® é uma versão mais atualizada do nRF 24L01 ®, e
também é conhecido como nRF 24L01P®. Esse “upgrade” veio para que o
transceptor pudesse satisfazer as normas regulamentares da Rádio Frequência (a
de operar na faixa de frequência de livre licenciamento, por exemplo). A diferença
entre as duas versões consiste basicamente na redução dos pinos, pois o nRF
24L01® faz uso de 10 pinos, enquanto que sua versão mais recente utiliza-se
apenas de 8. Foram reduzidos 2 pinos, sendo um pino de alimentação e um de terra
(Vcc e GND). A Figura 6 apresenta seu aspecto físico, demonstrando-se sua
dimensão física.
®
Figura 6 – Vista frontal do módulo transceptor nRF 24L01+ [33].
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 43
A Figura 7 ilustra os pinos do transceptor nRF 24L01+. As funções
desempenhadas por cada pino são resumidas na Tabela 1 e detalhadas em
seguida.
®
Figura 7 – Pinos do Transceptor nRF 24L01+ para conexão com Arduino[33].
Tabela 1 – Descrição dos Pinos do Transceptor nRF 24L01+.
O transceptor utiliza como base de tempo (clock) seu oscilador interno, sendo
o mesmo de 16MHz.
O pino “CE” é o responsável por habilitar o modo de operação em
Transmissão (Tx) ou Recepção (Rx).
O pino “CSN”, existente em cada periférico, é utilizado pela unidade mestre
para habilitá-los ou desabilitá-los. Tem a finalidade de evitar um acesso indesejado,
e é feito com um sinal nesse pino, de modo a identificar qual unidade escravo será
acionada.
O pino “CSK” emite pulsos de clock que sincronizam a transmissão de dados
gerados pela unidade mestre.
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 44
O pino “MOSI” é utilizado pela unidade mestre com a finalidade de enviar
dados aos periféricos, enquanto que o pino “MISO” é utilizado pela unidade escravo
para enviar dados à unidade mestre.
O pino “IRQ” é o pino responsável pelas interrupções, e não é utilizado neste
trabalho.
Cada unidade transceptora tem a capacidade de comunicar-se, sem prejuízo
significativo, com outras seis unidades simultaneamente, sem que uma comunicação
cause interferência nas outras [33]. Porém, a unidade receptora só pode receber
pacotes de uma unidade por vez. Essa possibilidade de comunicação com outras
seis unidades deve-se ao fato de que cada transceptor apresenta seis endereços, e
cada endereço é um canal lógico que tem reservado para si um endereço físico
individualizado no canal de comunicação. Portanto, para se estabelecer a
comunicação entre duas unidades transceptoras, necessita-se que elas utilizem o
mesmo canal e estejam configuradas com o mesmo endereço.
Alguns diferenciais que este transceptor apresenta são: possibilidade de
trabalhar com operação multicanal, uma vez que possui 126 canais disponíveis,
podendo ser selecionados e configurados através de comandos lógicos específicos;
alta confiabilidade na transmissão e/ou recepção dos dados quando atuando nas
condições especificadas pelo fabricante, pois ele pode ser configurado para
confirmar o recebimento do dado e também tentar reenviá-lo, caso seja perdido, por
até quinze vezes. Essa última característica promove uma confiabilidade maior no
envio e entrega dos dados, apesar de estar desabilitada, pois o objetivo deste
trabalho é testar a eficiência da comunicação independente dessa característica.
Outro diferencial para sua escolha para este trabalho é seu mecanismo de
medição de níveis de energia presentes em um canal RF quando habilitado no modo
de recepção. Esse mecanismo de medição é denominado Detector de Potência
Recebida (RPD – Received Power Detector), e mede os níveis de energia que estão
acima ou abaixo de uma valor especificado para aproveitamento, que neste caso é
de -64 dBm. Se a energia de recepção estiver abaixo desse valor (-65 dBm em
diante), o RPD será igual a zero, pois esses níveis de energia não afetam a
comunicação [33].
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 45
Este transceptor é composto por um sintetizador de frequência integrado, por
um amplificador de potência, por um cristal embutido para o oscilador e por um
modulador.
O transceptor apresenta algumas características que se adéquam às
exigências do projeto, como tensão de operação de 1,9 a 3,6 V, com tolerância a até
5 V; ultra baixa energia de operação (11,3 mA quando em modo de transmissão e
13,5 mA quando em modo de recepção) e 2 modos de economia de energia; faixa
limite de sensibilidade para recepção entre -82 e -94 dBm, sendo neste trabalho
utilizada a sensibilidade de -85dBm por estar configurado para uma taxa de
transmissão de 1 Mbps; filtros de canais integrados na recepção para evitar ou
minimizar interferências; e compatibilidade com sua versão anterior [33].
Em sistemas industriais, automação e controle de aparelhos, telemetria e
comunicação de dados, a utilização do nRF 24L01+® está bastante difundida, uma
vez que o mesmo apresenta características adequadas para esses tipos de
aplicações, como economia de energia, segurança na transmissão dos dados e
confiabilidade em sua entrega. São exemplos a conversão de sinais, verificação de
erros de dados durante uma cópia (método polinomial denominado Cyclic
Redundancy Check - CRC), codificação, decodificação e buffer de dados. Aplicações
bem simples desse transceptor encontradas no cotidiano são nos mouses sem fio de
computador, bem como teclados e joysticks.
Algumas das especificações do nRF 24L01+® encontram-se listadas a seguir,
seguido de 2 características do módulo transceptor [33].

Modulação: GFSK;

Half-duplex;

Taxa de dados: 250 Kbps, 1 Mbps e 2 Mbps;

Receptor simultâneo;

Verificação de Redundância Cíclica (CRC);

Operação multi-canal: 126 canais de operação;

Sensibilidade: até -94 dBm (3,98x10-10 mW);

2 modos de operação: direto e ShockBurst;

Seis canais de recepção;
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 46

Tensão de alimentação: 1,9 a 3,6 V;

Temperatura de operação: -40 a 85º C;

Antena integrada (módulo transceptor);

Dimensões: 33 mm x15 mm (módulo transceptor).
Outra informação importante, mas não especificada no datasheet, é o alcance
médio desse módulo transceptor, na qual os usuários informam que ele transmite
bem (sem perdas ou com um percentual desprezível de perdas) até uma distância
de 10 m, em ambientes internos, e 100 m em campo aberto. Ainda, com antena
externa integrada, pode atingir um alcance de até 1 Km.
O nRF 24L01+® utiliza a modulação digital por chaveamento em frequência
com filtro Gaussiano (GFSK – Gaussian Frequency Shift Keying), que é um dos tipos
de modulação por chaveamento em frequência (FSK – Frequency Shift Keying),
diferenciando-se deste último principalmente por apresentar um filtro gaussiano. A
modulação GFSK é uma forma de modulação em frequência e é muito utilizada
atualmente em dispositivos que se comunicam via wireless ( como RF, por exemplo),
justamente por apresentar algumas vantagens em relação à modulação analógica
(como uma maior imunidade à ação de ruídos elétricos), à facilidade de
armazenamento dos dados digitais, maior segurança no canal de comunicação
(criptografia), entre outras.
Configurações como taxa de transmissão de dados (2 Mbps, 1 Mbps ou 250
Kbps) e a potência de transmissão (0 dBm, -6 dBm, -12 dBm ou -18 dBm) também
podem ser predefinidas, sendo este um dos motivos pela escolha deste dispositivo
para este trabalho, pois, quando comparado a outros de funções semelhantes, a
exemplo do zigbee, ele ganha destaque, pois a taxa máxima de transmissão de um
módulo zigbee é de 250 Kbps [34] [35]. Uma taxa de transmissão mais alta significa
um menor tempo na entrega dos pacotes de dados, apesar de reduzir o alcance da
transmissão. O nRF24L01+ foi configurado para uma taxa de transmissão de 1Mbps
e 0 dBm de potência de transmissão, pois combina características de alcance da
comunicação, potência e velocidade da transmissão.
O módulo nRF 24L01+® tem a capacidade de enviar e receber dados em
forma de pacotes estruturados na forma de vetores. Para essa transmissão, o
módulo tem o auxílio de uma biblioteca específica para tal fim. Cada pacote
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 47
corresponde a um vetor de tamanho variável. O módulo não pode realizar o envio e
o recebimento de forma simultânea, ou seja, apenas envia ou recebe um vetor por
vez. Porém, o tamanho desse vetor não é fixo, podendo ser configurado pelo usuário
de acordo com sua necessidade.
Ainda conta com um protocolo denominado de Enhanced Shockburst, que é
um protocolo proprietário (Nordic Semiconductor) que realiza funções automáticas
de temporização, montagem, reconhecimento e retransmissão de pacotes de dados
entre módulos transceptores nRF 24L01 e suas versões compatíveis [33]. Essa
função de montagem dos pacotes de dados a serem transmitido tem papel
importante na comunicação entre os módulos transceptores, podendo ser observado
o formato de um pacote de dados montado na Figura 8.
Figura 8 – Formato do pacote de dados montado pelo protocolo Enhanced Shockburst.
O pacote de dados é segmentado em 5 partes: Preamble, Address, Packet
Control Field, Payload e CRC. O Preamble é um campo previamente definido, de 1
byte, para distinção entre o início da mensagem e ruídos existentes no canal, ou
seja, identifica o início da mensagem. O campo Adress é o responsável por trazer o
endereço de destino do pacote, tendo um tamanho varíavel entre 3 e 5 bytes. O
campo referente ao Packet Control Field traz o tamanho dos pacotes de dados e
configurações de reconhecimento de pacotes e retransmissão, e tem 9 bytes de
tamanho. O campo Payload, com tamanho entre 0 e 32 bytes, é o que traz a
mensagem a ser transmitida. Por fim, com tamanho de 1 a 2 bytes, o CRC,
mecanismo responsável pela detecção de erros em uma transmissão [33].
3.2.2 Arduino Uno
Inicialmente, planejava-se utilizar o microcontrolador PIC18F2580 devido
suas características adequarem-se bem às necessidades deste trabalho, mas devido
a alguns problemas, como custos e configuração do transceptor, passou-se a utilizar
a plataforma de desenvolvimento livre Arduino Uno (já inclui um microcontrolador),
que atendeu satisfatoriamente a todos os requisitos. O objetivo é desenvolver um
sistema de baixo custo e de reduzidas dimensões, e o baixo custo é uma
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 48
característica importante no Arduíno, além também de apresentar dimensões
reduzidas para o fim ao qual se pretende aplicar.
O Arduino Uno é um tipo de placa de microcontrolador baseado no
ATmega328, imune a ruídos e interferências no ambiente. É alimentado com uma
tensão de 5 V, dispondo de 14 pinos digitais de entrada ou saída, 6 entradas
analógicas, um cristal oscilador de 16 MHz, uma conexão USB e um botão de reset.
Apresenta como opção 2 tensões de saída para acomodar diferentes trabalhos: 3,3
V e 5 V. Além disso, o Arduino pode ser alimentado pela própria conexão USB, caso
esteja ligado a um computador energizado. Baseado nesses parâmetros, ele pode
substituir satisfatoriamente um dispositivo que seja exclusivamente microcontrolador.
O arduíno pode ser programado na interface integrada de desenvolvimento
(IDE), que é o software Arduino onde se criam projetos. Esse software é para ser
instalado em computadores e utiliza a linguagem C (e algumas extensões em C++)
para escrever os códigos. Esse software é próprio do Arduíno, sendo um editor de
códigos para essas placas, e está disponível para donwload em www.arduino.cc.
Esses códigos ou programas também são conhecidos por “sketchs”. Concluído o
projeto, o sketch deve ser compilado para posteriormente ser enviado, sem erros, à
memória flash do arduíno. O envio é através da porta USB. Com o código na
memória flash do arduíno ele está habilitado para executar suas funções sem
necessitar do computador (função de USI escravo ou de USI mestre, a depender da
configuração de seu código fonte), desde que esteja sendo alimentado por uma
fonte de energia.
Muitas bibliotecas são utilizadas para facilitar a edição desses códigos, e
neste trabalho utilizou-se a biblioteca Mirf, fornecida por Stefan Engelke
([email protected]), muito utilizada em comunicações sem fio. Essas
bibliotecas são funções pré-definidas, e tanto a IDE quando o próprio arduíno já
possuem algumas. Outras bibliotecas também podem ser adquiridas na internet.
Além das bibliotecas, outra vantagem do Arduino é o fato de ele permitir que
outras placas sejam acopladas a ele para agregar funções e ampliar sua gama de
possibilidades. Essas placas são chamadas de shields, e essas shields
são
encontradas
elas
para
desempenharem
as mais
variadas
funções.
Com
conseguimos fazer o Arduino se comunicar numa rede Ethernet, ou, ainda, transmitir
dados
para
qualquer
dispositivo
via
Bluetooth
ou
Wi-Fi
[36].
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 49
Figura 9 – Ligações Transceptor – Arduino [37] no Sistema Completo Desenvolvido para Comunicação.
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 50
3.3
SOFTWARE
As USIs tem a atribuição de enviar relatórios acerca do comportamento das
grandezas monitoradas em um sistema elétrico. Esses relatórios podem conter
informações como valores de temperatura, umidade, etc. Ou seja, as USIs escravo
realizam funções específicas de monitoramento e medição para enviar suas
informações à USI mestre. Porém, este trabalho abordará apenas a comunicação
entre as USIs escravo e a mestre, isto é, após a execução de suas tarefas iniciais
(monitoramento e medição), de modo a avaliar a eficiência da comunicação.
Para realizar a comunicação entre as USIs, é necessário configurá-las, e
essa configuração é realizada na IDE do Arduino, na qual pode-se escrever as
linhas do código e testá-las (compilar o código na própria IDE) antes mesmo que
sejam armazenadas na memória flash do dispositivo, evitando, assim, ocasionar
eventos indesejados para os usuários ou para os dispositivos.
Para acessar os dados monitorados e a consequente interpretação dos
mesmos, utiliza-se uma Interface Homem-Máquina (IHM) que permite aos usuários a
realização dessas tarefas. Utilizou-se o hiperterminal do computador para exibição
desses dados no monitor.
Essas etapas e a rotina a ser executada para se realizar essas tarefas serão
apresentados ao longo desta seção na sequência de execução do trabalho para
configuração e exibição dos dados.
3.3.1 Configuração e exibição de dados
O envio dos dados para o SCS que irá exibi-los via IHM é feito por meio da
porta serial USB (utilizou-se o terminal serial do computador), habilitando-se uma
das portas de comunicação.
O código final é denominado de projeto, e foi desenvolvido em etapas para
facilitar a visualização das tarefas, e essas etapas em subetapas. As duas etapas
são código “mestre” e código “escravo”. Assim, define-se a atribuição de cada USI, e
as subetapas detalham essas atribuições. Esse trabalho é composto por um sistema
dividido em duas partes: Unidade de Sensoriamento Escravo e Unidade de
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 51
Sensoriamento Mestre, em que se demonstram os resultados de suas execuções
nas Figuras 10, 11, 12 e 13. As Figuras 10 e 11 exibem os dados quando da
execução da USI escravo, uma no início da rotina e outra ao final; enquanto que as
Figuras 12 e 13 exibem os dados quando da execução da USI mestre, também uma
no início e outra ao final da rotina de execução.
Figura 10 – Exibição do início da execução da rotina da USI escravo.
Figura 11 – Exibição do término da execução da rotina da USI escravo.
Figura 12 – Exibição do início da execução da rotina da USI mestre.
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 52
Figura 13 – Exibição do término da execução da rotina da USI mestre.
3.3.2 Rotinas de trabalho predefinidas
O sistema de aquisição e monitoramento realiza sua função executando
rotinas de trabalho predefinidas, subdivididas em etapas, em que para ele seguir de
uma etapa para outra é necessário que a condição da etapa anterior seja satisfeita,
pois caso ela não seja atendida ele irá retornar ao ponto inicial dessa etapa para
reiniciar a sequência. Essas rotinas e etapas serão apresentadas de forma
sintetizada sob a forma de fluxogramas, nas Figuras 14, 15 e 16, bem como serão
descritas, de modo a permitir uma compreensão global do sistema. Na Figura 14,
ilustra-se o aspecto físico do trabalho, enquanto que nas Figuras 15 e 16, ilustra-se
o aspecto lógico.
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 53
Figura 14 – Sistema de Aquisição de Dados e Monitoramento sem Fio.
Unidade de Sensoriamento Escravo
A rotina principal é responsável pela configuração dos periféricos e das
interrupções utilizadas nas sub-rotinas. Essas sub-rotinas têm como funções a
aquisição, tratamento e transmissão dos dados. Após a configuração dos
dispositivos necessários, a rotina entra em um loop e assim permanece até ser
atendida uma condição específica, permitindo a aquisição e o envio dos dados
durante todo o funcionamento.
Para uma maior confiabilidade dos dados recebidos, é obtida uma média de
um conjunto de 10 amostras, implicando em um maior grau de concordância com o
valor real. Cem pacotes são enviados pela USI escravo para a USI mestre, quando
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 54
requisitada por esta, e seguem a sequência de 0 a 99, repetindo-se 10 vezes. Esses
pacotes são numerados de 0 a 99, para se ter certeza que os dados recebidos pela
USI mestre realmente são os que a USI escravo enviou. Essa foi uma forma de
individualizar cada pacote, sendo possível, assim, identificar os pacotes que não
foram recebidos. Havendo uma segunda USI escravo transmitindo os pacotes
seguem a sequência de 100 a 199, também se repetindo 10 vezes. Essa
diferenciação entre os pacotes das USIs escravo representa as diferentes
informações a que cada USI escravo em um sistema elétrico de medição é
responsável. O envio de cada pacote foi configurado para ocorrer a cada 20ms para
que o envio total dos dados do relatório não seja demorado e não retarde a
realização dos testes. Sendo assim, sob circunstâncias ideais um relatório leva cerca
de 20 segundos para ser enviado/recebido completamente (tempo total entre
requisição da USI mestre e recebimento e consequente exibição do último pacote
pelo SCS).
Os resultados obtidos pela unidade de sensoriamento escravo são
transmitidos através da sub-rotina de transmissão de dados para a unidade de
sensoriamento mestre, mediante requisição, que pode ocorrer em intervalos de
tempo definidos pelo usuário ou apenas quando houver interesse, sendo esta última
a adotada neste trabalho. A transmissão é realizada por rádio frequência através dos
módulos transceptores nRF 24L01+® a uma taxa de 2 Mbps, 1 Mbps ou 250 Kbps.
Essa taxa está relacionada com a distância entre os módulos e pode ser definida
pelo usuário através de diretivas do transceptor no código fonte quando em
desenvolvimento na plataforma Arduino.
A taxa de transmissão mais lenta (250 Kbps), utilizando a mesma
quantidade de energia das outras taxas durante uma transmissão, proporciona maior
alcance para comunicação; ao passo que a taxa de transmissão mais alta (2 Mbps)
proporciona menor tempo na transmissão dos dados, reduzindo a probabilidade de
colisão entre as mensagens [33] [35]. O fluxograma da Figura 15 representa, de
modo resumido, o funcionamento do programa de aquisição e monitoramento das
USIs escravo utilizadas no trabalho.
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 55
Figura 15 – Esquema Básico do Funcionamento do Programa de Aquisição e Monitoramento da USI
escravo.
Como se pode perceber, após ser requisitada pela USI mestre a USI
escravo procede às configurações de inicialização e em seguida informa quais as
mensagens que serão enviadas e o endereçamento dessas mensagens, dando
início ao envio destas. Cada envio é contabilizado, de modo a se enviar exatamente
1000 mensagens. Enquanto essa condição não for satisfeita, a execução permanece
em loop. Encerrado o envio de mensagens, a USI escravo aguardará nova
requisição.
Unidade de Sensoriamento Mestre
A função básica da unidade de sensoriamento mestre é gerenciar a rede.
Através de requisições, a USI mestre permite que a USI escravo envie os pacotes.
Após o recebimento de todos os pacotes, o mestre envia os pacotes ao SCS por
meio da interface serial USB 2.0, e desta forma o operador tem a possibilidade de
analisar os dados.
A rotina principal configura todos os periféricos e realiza as chamadas das
interrupções necessárias para o funcionamento das sub-rotinas. Após as
configurações, a rotina principal entra em loop e assim permanece até ser atendida
uma condição específica. Ao entrar no loop, a USI mestre verifica se há algum dado
sendo enviado ao SCS e, caso negativo, ela realiza a requisição à USI escravo, pois
a requisição só é feita após serem enviados todos os dados já recebidos ao SCS, de
SISTEMA PROPOSTO: HARDWARE E SOFTWARE 56
modo a não interromper a transmissão anterior. Feita a requisição, a USI mestre
verifica se já há alguma mensagem a ser recebida. Existindo, a mensagem é
capturada e checada qual sua origem (slave 1 ou 2) para, então, ser enviada ao
SCS. Enquanto houver mensagens a serem recebidas a USI mestre permanecerá
capturando-as e realizando essa checagem para posterior envio ao SCS. Após a
USI escravo encerrar seu envio, a USI mestre detectará que não há mais mensagem
(por meio do pino MISO), sendo exibido no SCS o total de mensagens recebidas.
O envio dos pacotes ao SCS é realizado por uma sub-rotina que prepara os
dados para transmissão pela interface serial USB. A taxa de transmissão foi
configurada para 115.200bps, de modo a tentar evitar atrasos na recepção dos
pacotes e no seu envio à porta serial do computador, e assim não causar perda de
algum dado no momento da recepção ou do envio para exibição. O fluxograma da
Figura 16 representa, de modo resumido, o funcionamento do programa de
aquisição e monitoramento da USI mestre utilizada no trabalho.
Figura 16 – Esquema Básico do Funcionamento do Programa de Aquisição e Monitoramento da USI
mestre.
4
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 58
4
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Neste capítulo, os resultados experimentais dos testes realizados são
exibidos juntamente com suas métricas e parâmetros, abordando-se diversos
obstáculos possíveis à comunicação.
Os obstáculos considerados nos testes são obstáculos encontrados no dia a
dia desses locais e que podem se tornar empecilho à comunicação via rádio
frequência, como paredes de alvenaria, paredes de vidro ou paredes metálicas que
separam equipamentos; locais de longas distâncias entre os equipamentos; locais
ventilados e sujeitos a mudanças climáticas; locais com possíveis sinais
interferentes, a exemplo de sinais da rede de telefonia celular, de outras
comunicações via rádio frequência ou outras modalidades de comunicação sem fio,
microondas, etc.
Esses
obstáculos
foram
escolhidos
de
acordo
com
parâmetros,
configurações ou características que possam causar influência na comunicação via
rádio frequência, conforme referenciado nos capítulos 2 e 3. Mediante a escolha
desses obstáculos, os cenários foram montados para se avaliar a eficiência da
comunicação, definida como sendo a relação entre os pacotes recebidos pela USI
mestre e os pacotes enviados pela USI escravo (relação R/T).
Os testes foram realizados utilizando 1 USI mestre e 1 ou 2 USIs escravo, a
depender do cenário analisado. Fotos de alguns testes abordando os obstáculos à
comunicação constam no Anexo 1 (Anexo fotográfico) para ilustração do trabalho
realizado.
Inicialmente, para a realização desses testes, fez-se necessário estabelecer
algumas métricas, a saber:
 Distância entre as unidades [30], [33], [35];
 A existência ou não de obstáculos entre elas [30], [31];
A
configuração
das
antenas
(posição/direção)
dos
módulos
transceptores testados [30], [33];
 O tipo de ambiente em que elas estão inseridas, ambientes abertos ou
fechados [30], [31], [35];
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 59
 A possibilidade de interferência na comunicação por outros elementos
que utilizem a mesma frequência de 2,4GHz (a exemplo de redes
wireless e outros transceptores), por telefone sem fio ou por aparelho
de micro-ondas [29], [30];
 A possibilidade de interferência ocasionada por condições climáticas
(especificamente o vento) [30], [32];
 Bem como uma combinação de todos esses parâmetros entre esses e
as unidades testadas.
Ao todo foram realizados 60 testes, organizados e distribuídos em conjuntos
no decorrer deste capítulo, nos quais, para validação dos resultados, cada teste foi
executado 10 vezes, de modo a estudar a consistência entre seus valores para
garantir um desempenho satisfatório, de modo que se proceda a análises de testes
com semelhanças, condições e fatores idênticos.
Esses testes foram organizados em duas etapas, e essas etapas foram
subdivididas em doze conjuntos de testes, em que alguns abordam cenários
diferentes. As etapas foram consideradas em termos de distância: testes de curta ou
longa distância. Na primeira etapa foram realizados dez conjuntos de testes, e na
segunda etapa dois conjuntos.
O teste aborda o envio de 1.000 pacotes de dados individualizados da USI
escravo para a USI mestre, simulando relatórios de informações enviados de
equipamentos para o SCS, de modo a avaliarmos os dados recebidos pela unidade
mestre para verificar o aproveitamento dos dados e, por consequência, a eficiência
da comunicação.
Todos os pacotes recebidos pela USI mestre e enviados ao SCS foram
armazenados por este para posterior constatação, de modo a conferir se os pacotes
recebidos e armazenados conferem com os pacotes enviados e, também,
detectando quais pacotes não foram recebidos. Nos testes em que a perda dos
pacotes não foi superior a 2% os pacotes perdidos foram conferidos com os que
foram enviados para descartar a possibilidade de o envio não ter sido realizado.
Esse percentual baixo foi adotado para não retardar a realização dos testes. Já os
pacotes recebidos foram constatados por amostragem, também para não retardar a
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 60
realização dos testes. Essa amostragem consistiu em verificar apenas os pacotes de
de número “99”.
Para verificar as redes sem fio existentes durante os testes, utilizou-se um
software, WiFi Analyzer, desenvolvido para sistemas Android. Suas principais
funcionalidades são exibidas na Figura 17, seguindo a seguinte ordem: possibilidade
de detectar e analisar todas as redes sem fio ao alcance, intensidade de cada rede
ao longo do tempo, possibilidade de determinar canal e a frequência utilizados, bem
como a potência do sinal de cada rede. Essas funcionalidades serão exploradas ao
longo deste trabalho.
Figura 17 – Funcionalidades do WiFi Analyzer.
4.1 RESULTADOS DOS TESTES DE CURTA DISTÂNCIA
Adotou-se a distância de 250 metros como distância máxima (longa distância)
de comunicação do transceptor. Esse valor é baseado em informações de outros
transceivers, já que o datasheet do nRF 24L01+® não faz alusão a essa distância
máxima; e no conceito de RPD, aludido em [33]. Realizou-se um único teste com
distância superior a 250 metros para se constatar a baixa eficiência da comunicação.
Dessa forma, e levando-se em consideração as principais aplicações sugeridas pelo
datasheet do nRF 24L01+® para as quais ele foi projetado (periféricos sem fio de
computadores, brinquedos, controladores de jogos, etc.), considerou-se como curta
distância os valores de 1 a 15 metros.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 61
A comunicação foi estabelecida entre uma unidade mestre e uma unidade
escravo, de modo a permitir o estudo de possíveis interferências que equipamentos
ou dispositivos localizados próximos à unidade escravo possam causar ao envio de
pacotes da unidade escravo para a mestre. Essa “configuração” é a encontrada no
cotidiano, em que a USI mestre representa uma central de controle, fixa e abrigada,
em geral; e a USI escravo representa equipamentos expostos no meio ambiente, em
uma subestação de energia elétrica, por exemplo, que estão próximos uns dos
outros e próximos a diversos aparelhos ou sinais que podem interferir na
transmissão de dados.
Os testes foram executados em ambiente de laboratório, sem interferência do
vento e em condições normais, de modo a propiciar a avaliação do comportamento
da comunicação em ambientes normalmente fechados; e em campo aberto, de
modo a possibilitar o estudo da influência do vento [32] . Estes serão citados durante
os respectivos conjuntos de testes.
Alguns conjuntos de testes tiveram a direção e a posição das unidades
transceptoras desconsideradas para a avaliação da comunicação. Contudo, a
direção e a posição foram mantidas as mesmas em todos os cenários dentro do
mesmo conjunto de testes.
CONJUNTO DE TESTES 01
O primeiro conjunto de testes foi realizado em 3 etapas, e cada etapa
envolve 3 cenários diferentes. Cada teste foi realizado com uma distância de 1 metro
entre as unidades. Para a realização dos testes irão se considerar os transceptores
em 3 posições distintas, sendo cada posição uma etapa do conjunto de testes.
Desse modo, permite-se avaliar se a posição e a direção influenciam na
comunicação e, caso afirmativo, avaliar a eficiência da comunicação frente a estes
parâmetros.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 62
Figura 18 – Vista lateral do transceptor com indicação de posição e direção.
Figura 19 – Vista frontal do transceptor [38].
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 63
Figura 20 – Vista frontal do transceptor com indicação de posição e direção [38].
Três posições foram consideradas para fins de realização dos testes. A
primeira posição tem a direção AC – CA (Figura 20); a segunda é CA – AC (Figura
20); e a terceira é TF – FT (Figura 18). Essas 3 posições serão tratadas no
desenvolver deste trabalho por “Posição 1” (AC – CA), “Posição 2” (CA – AC) e
“Posição 3” (TF – FT), que representam as 3 etapas desse conjunto de testes.
Cada etapa foi desenvolvida em 3 cenários diferentes:
1. Ausência de sinais interferentes de redes wireless;
2. Redes wireless com sinais de baixa amplitude;
3. Redes wireless com sinais de alta amplitude.
O primeiro cenário aborda uma situação ideal, na qual não há redes wireless
para inteferir na comunicação. O teste desse cenário é de fundamental importância,
pois serve como parâmetro para os demais, possibilitando o estudo da interferência,
ou não, de redes wireless sobre a comunicação estabelecida na faixa de operação
de 2,400 a 2,4825GHz. Essa constatação de ausência de redes wireless para o
primeiro cenário (Figura 21) e para os 2 cenários seguintes é realizada utilizando-se
o aplicativo Wifi Analyzer.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 64
Figura 21 – Ausência de sinal de redes wireless.
O segundo cenário aborda uma situação ainda bastante favorável à
comunicação, na qual há a presença de redes wireless na faixa de operação de
2.400 a 2.525 GHz, mas os sinais dessas redes são de baixa amplitude (Figura 22),
conforme consideração feita pelo datasheet do transceptor vista no capítulo 3 item 2.
Segundo este, sinais de RF com amplitude igual ou inferior a -64 dBm são
descartados para fins de comunicação, ou seja, -64 dBm, -65 dBm em diante.
Portanto, não há nenhuma fonte de interferência em potencial próxima à USI
escravo.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 65
Figura 22– Possíveis sinais interferentes de baixa amplitude.
O terceiro cenário aborda um sinal de alta amplitude de uma rede wireless e
identificado como a rede “PPGEE_LP” (Figura 23), que opera na faixa de frequência
já especificada, e que é considerada como uma fonte de interferência em potencial,
haja vista que a amplitude do sinal de RF é superior a -64 dBm, ou seja, -63 em
diante. Para possibilitar essa potencial fonte de interferência para a comunicação,
utilizou-se um roteador wireless localizado bem próximo à unidade escravo (cerca de
20 cm). Redes com baixo sinal de baixa amplitude também foram detectadas neste
cenário.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 66
Figura 23 – Possível sinal interferente de alta amplitude acompanhado de sinais de baixa.
Esse conjunto de testes foi realizado com os transceptores sem diferença de
altura e em visada direta (sem obstáculos entre as 2 unidades), pois esses fatores
podem significar interferência no contexto da rádio frequência [30], [31]. O segundo
fator foi objeto de estudo neste trabalho, mas o primeiro não.
A primeira etapa (testes para Posiçao 1) tem o resultado de seus 3 testes
ilustrada no gráfico da Figura 24, a segunda (testes para Posiçao 2) no gráfico da
Figura 25 e a terceira etapa (testes para Posiçao 3) no gráfico da Figura 26.
No gráfico da Figura 27 ilustra-se um comparativo da média dos valores
entre as diferentes posições dos transceptores ao mesmo tempo em que compara
seus distintos cenários nos quais estão inseridos.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 67
Figura 24 – Eficiência da comunicação na Posição 1.
Figura 25 – Eficiência da comunicação na Posição 2.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 68
Figura 26 – Eficiência da comunicação na Posição 3.
Figura 27 – Comparativo entre as posições 1, 2 e 3 – considerando os 3 cenários.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 69
A tabela 2 apresenta um quadro-resumo dos resultados desse conjunto de
testes.
Tabela 2 – Eficiência da comunicação (%).
Percebe-se que houve uma redução na relação R/T dos pacotes (pouco mais
de 3%) quando há sinal de RF interfente de alta amplitude próximo à unidade
escravo, independentemente da direção e sentido dos transceptores. O efeito dessa
perda de pacotes dependerá da aplicação.
Já entre os cenários 1 e 2 não se verifica, para essa distância, diferença na
relação R/T de pacotes, sendo muito semelhantes os valores obtidos para esses
cenários.
Quanto ao posicionamento das antenas já se começa a perceber, ainda que
sutilmente, que a comunicação na Posição 3 apresenta-se como mais eficiente. Os
próximos testes confirmarão com maior precisão essa observação.
Também é possível perceber que, mesmo a uma curtíssima distância, a
transmissão/recepção de pacotes muitas vezes não se concluiu totalmente, ou seja,
em vários testes ela ficou abaixo de 100%, apesar de muito próxima desse valor. É
possível que outros tipos de sinais (celular, telefone sem fio, etc), algumas
adversidades (vento) ou a própria conexão dos dispositivos estejam interferindo na
comunicação. Outros testes foram realizados no transcorrer deste trabalho para
possibilitar conclusões mais precisas.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 70
CONJUNTO DE TESTES 02
Esse conjunto de testes foi desenvolvido a uma distância de 5 m com os
transceptores posicionados em suas 3 posições consideradas, permitindo ainda um
comparativo entre elas para dar subsídio para os próximos conjuntos de testes, nos
quais estes irão considerar apenas uma direção e posicionamento. A condição
considerada de possível interferência para a comunicação foram os sinais de baixa
amplitude existentes durante o teste, ou seja, sem possível dispositivo com potencial
para interferência próximo à unidade escravo, conforme se visualiza na Figura 28.
Figura 28 – Possíveis sinais interferentes de baixa amplitude.
Na Figura 29, apresenta-se o resultado da comunicação desse conjunto de
testes.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 71
Figura 29 – Comparativo entre as 3 posições da unidades.
Assim, também nesse conjunto de testes percebe-se que a comunicação
praticamente não sofre influências para distâncias muito curtas em relação à direção
e ao posicionamento das unidades transceptoras, haja vista a diferença ser apenas
de 0,1% entre a melhor e a pior posição para comunicação. Mas se percebe que a
comunicação apresentou melhora com o pequeno aumento na distância.
CONJUNTO DE TESTES 03
Os testes desse conjunto foram realizados de acordo com as distâncias de 1,
2, 5 e 15 metros, e consideraram apenas como possível interferência para a
comunicação os sinais de baixa amplitude existentes durante o teste (posto não
haver nenhum dispositivo com possível potencial para interferência próximo à
unidade escravo), condição rotineira do dia a dia que simula diversos ambientes. A
Figura 30 ilustra as redes existentes no momento da comunicação nas quatro
distâncias adotadas.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 72
Figura 30 – Sinais de baixa amplitude nas distâncias de 1, 2, 5 e 15m, respectivamente.
De acordo com os conjuntos de testes 1 e 2, para curtas distâncias, é
possível desconsiderar a direção e posicionamento das unidades transceptoras, haja
vista a diferença de eficiência ser mínima entre elas. Sendo assim, a partir desse
conjunto de testes, a Posição 3 foi a adotada para ser utilizada nos conjuntos de
testes que não levem posição/direção em consideração.
O objetivo desse conjunto de testes é analisar a comunicação diante do fator
“curta distância” para avaliar a eficiência dessa comunicação. Há uma ressalva para
o experimento a 15 m de distância, pois o laboratório não proporcionava que o teste
fosse executado a essa distância. Logo, ele foi realizado em campo aberto, assim
como os demais testes desse conjunto, mantendo-se as mesmas condições para
todos os testes. Os resultados obtidos são apresentados na Figura 31.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 73
Figura 31 – Comparativo da eficiência da comunicação para curtas distâncias.
Percebe-se que inexiste diferença na eficiência da comunicação para curtas
distâncias. Apenas na de 2 m houve uma variação muito pequena (não mais que
0,4%), considerando-se que foram enviados mil pacotes. Em 3 momentos (quarto,
sétimo e oitavo teste de cada distância) não houve diferença alguma e a
comunicação atingiu sua totalidade no envio/recepção de pacotes. A pequena
redução pode ter sido dada por diversos motivos, não se descartando a influência do
vento nem do sinal de baixa amplitude de redes wireless, bem como de outros
fatores.
CONJUNTO DE TESTES 04
Os testes desse conjunto foram realizados em laboratório mantendo-se uma
distância de 1 metro entre as unidades (sem obstáculos). Esse conjunto foi dividido
em 3 distintos cenários, de modo a avaliar a condição temporal “vento” para a
comunicação, simulando-se ambientes muito ventilados. O equipamento utilizado
para inserir vento foi um ventilador em velocidade máxima (potência padrão). Um
fator condicionante para essa condição “vento” foi se o mesmo estava em sentido
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 74
favorável ou desfavorável à unidade escravo (considerando o sentido da
comunicação: USI escravo  USI mestre), colaborando ou prejudicando a
comunicação.
Para verificar a possibilidade de interferência pelo campo eletromagnético do
ventilador realizou-se, inicialmente, 10 testes sob as mesmas condições desse
conjunto, porém, sem a hélice do ventilador, isolando, dessa forma, o fator vento, e
mantendo-se exclusivamente o fator “campo eletromagnético”. Constatou-se, após
esses testes preliminares, que esse fator não afeta a comunicação para os níveis de
tensão e corrente elétrica considerados, pois não houve perda de pacotes nesses
testes preliminares.
O primeiro teste apresenta um cenário com o vento em sentido desfavorável à
unidade escravo (Figura 32). No segundo teste o cenário apresenta-se com o vento
em sentido desfavorável ao envio dos pacotes pela unidade escravo e à recepção
pela unidade mestre (Figura 33). Já no terceiro teste o cenário dispõe o vento em
sentido favorável (Figura 34), permitindo traçar alguma conclusão acerca da
influência deste fator.
Figura 32 – Cenário 1: vento em sentido desfavorável à unidade escravo.
Figura 33 – Cenário 2: vento em sentido desfavorável às unidades escravo e mestre.
.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 75
Figura 34 – Cenário 3: vento em sentido favorável às unidades escravo e mestre.
Considerou-se apenas a condição de sinal de baixa amplitude de redes
wireless (posto não haver nenhum dispositivo com possível potencial para
interferência na comunicação próximo à unidade escravo), apesar de haver redes
wireless com amplitude de sinal já no limiar entre sinal de baixa e de alta amplitude.
A Figura 35 ilustra as redes existentes no momento das comunicações nos cenários
adotados.
Figura 35 – Sinais de baixa amplitude durante a comunicação nos 3 cenários adotadas,
respectivamente.
Os resultados desse conjunto de testes são expostos na Figura 36,
permitindo-se realizar comparação entre os distintos cenários.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 76
Figura 36 – Comparativo entre a comunicação nos 3 cenários mediante o fator condicionante
“vento”.
Percebe-se que o fator condicionante adotado no conjunto de testes em
questão exerce influência sobre o envio/recepção dos pacotes, mesmo que a
diferença tenha sido pequena (máximo 2%), pois quando o vento estava favorável à
comunicação ela ocorreu em sua totalidade. Já quando o vento estava desfavorável
à comunicação ocorreu uma redução na recepção dos pacotes pela USI mestre, seja
no cenário 1 ou 2.
Portanto, se para curtas distâncias o fator condicionante “vento” exerce
influência sobre a comunicação, para distâncias longas o vento também exercerá
influência e, provavelmente, quanto maior a distância maior será a influência [30],
[32]. Um conjunto de testes realizado neste trabalho apresentará um comparativo
entre testes considerando distâncias longas.
CONJUNTO DE TESTES 05
Os testes desse conjunto foram realizados em laboratório mantendo-se uma
distância de 1 metro entre as unidades transceptoras e inserindo-as em 2 cenários
diferentes (com obstáculos à comunicação): o primeiro cenário tem como obstáculo
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 77
uma parede de alvenaria com 13 cm (Figura 37), enquanto que segundo o obstáculo
é uma parede de vidro e tem 0,6 cm de espessura (Figura 38). Nos 2 cenários é
possível observar as 2 unidades transceptoras, o SCS (computador em que são
exibidos os dados) e os 2 tipos de paredes que fazem a separação das unidades
transceptoras.
Figura 37 – Parede de alvenaria separando as USIs mestre e escravo.
Figura 38 – Parede de vidro separando as USIs mestre e escravo.
O objetivo é avaliar a influência de diferentes tipos de obstáculos na
comunicação. Realizou-se um teste a um metro de distância, sem obstáculos, para
servir como padrão, sendo esse teste o do primeiro cenário. O teste do segundo
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 78
cenário é o que apresenta a parede de alvenaria e, o do terceiro cenário, a parede
de vidro.
Um fator que pôde ser desconsiderado foi a condição de interferência por
sinais de baixa amplitude (nenhum dispositivo com possível potencial para
interferência na comunicação próximo à unidade escravo), apesar de haver redes
RF com amplitude de sinal já quase considerada de alta amplitude. A Figura 39
ilustra as redes existentes no momento das comunicações nos cenários adotados.
Figura 39 – Sinais de baixa amplitude durante a comunicação no Cenário 1, Cenário 2 e Cenário 3,
respectivamente.
O gráfico do resultado desse conjunto de testes é apresentado na Figura 40,
seguindo a sequência dos cenários adotados.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 79
Figura 40 – Comparativo da eficiência da comunicação para os 3 cenários.
Como não houve perda de pacotes em nenhum dos cenários constata-se que
esses obstáculos não influenciam a essa distância, já que a transmissão/recepção
foi completa nos 3 testes.
CONJUNTO DE TESTES 06
Neste conjunto foram realizados testes em 3 cenários, todos em laboratório e
com obstáculos. Cada cenário aborda quantidades diferentes de obstáculos, sendo
o primeiro uma parede de alvenaria (13 cm) que separa as USIs em 1 m, o segundo
2 paredes de alvenaria (26 cm, ao total) que separam as USIs em 8 m e o terceiro 3
paredes de alvenaria (39 cm, ao total) de que separam as USIs em 15 m.
O objetivo é avaliar a influência das paredes de alvenaria. Também se
realizou um teste a um metro de distância, sem obstáculos, para servir como padrão
para se realizar uma comparação, sendo chamado de cenário base.
Novamente a condição de interferência por sinais de baixa amplitude foi
desconsiderada, apesar de haver uma rede wireless com amplitude de sinal já no
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 80
limiar entre sinal de baixa e de alta amplitude. A Figura 41 ilustra as redes existentes
no momento das comunicações nos cenários considerados.
Figura 41 – Sinais de baixa amplitude durante a comunicação no cenário base e nos Cenários 1, 2 e
3, respectivamente.
O resultado desse conjunto de testes será apresentado na Figura 42,
seguindo a sequência dos cenários considerados. Já na Figura 43, apresenta-se o
comportamento da eficiência da comunicação (valores médios) ao longo dos
cenários adotados. Os testes desse conjunto permitiram traçar conclusões acerca da
influência desse tipo de obstáculo.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 81
Figura 42 – Comparativo da eficiência da comunicação entre o cenário base e os cenários 1, 2 e 3.
Figura 43 – Comportamento da comunicação diante dos cenários apresentados.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 82
Percebe-se que não houve diferença entre a situação padrão (cenário base) e
o primeiro cenário, mesmo havendo um obstáculo. O fator distância, nesse caso, por
ser muito curto, não interferiu na comunicação. No segundo cenário já se começa a
perceber uma redução na comunicação, em que a maior parte dos testes ficou
próximo dos 70% de eficiência, e sua média em torno de 83%; e, no terceiro cenário,
a comunicação foi praticamente inviabilizada, recebendo apenas 4,89% dos pacotes
que foram enviados. Nestes 2 últimos cenários a quantidade de obstáculos e a
distância entre as unidades transceptoras aumentaram, contribuindo para a redução
na relação R/T, apesar de o aumento na distância não ter participação nessa perda
de pacotes, pois, como visto no conjunto de testes 03, em que as distâncias são
semelhantes (1, 2, 5 e 15 m), a transmissão/recepção de pacotes foi realizada em
sua totalidade nas distâncias de 1, 5 e 15 m.
CONJUNTO DE TESTES 07
Neste conjunto foram realizados 2 testes, em laboratório, com obstáculos à
comunicação, um em cada cenário. Utilizou-se de um teste padrão (cenário base)
sem obstáculo e nas mesmas condições para referência.
São 2 cenários diferentes: no primeiro foram utilizados 2 invólucros de vidro
(0,25 cm de espessura), nos quais cada um encobre uma unidade transceptora
(Figura 44); no segundo foram utilizados 2 invólucros metálicos (0,15 cm de
espessura), nos quais cada um encobre 1 unidade transceptora (Figura 45).
Figura 44 – Unidades transceptoras encobertas por invólucros de vidro.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 83
Figura 45 – Unidades transceptoras encobertas por invólucros metálicos.
Os testes consistem em distanciar as unidades transceptoras em 1 metro e
cobri-las com esses invólucros, de modo a aumentar o grau de dificuldade da
comunicação, pois o número de obstáculos foi aumentado de 1 para 2 e elas ficaram
completamente cobertas. O objetivo é avaliar a influência de obstáculos e do
material com o qual esses obstáculos são constituídos, pois determinados materiais
podem interferir em uma comunicação via rádio frequência (absorvendo, refletindo,
impedindo a passagem das ondas eletromagnéticas, etc.).
Novamente a condição de interferência por sinais de baixa amplitude foi
desconsiderada, apesar de haver uma rede wireless com amplitude de sinal já no
limiar entre sinal de baixa e de alta amplitude (Figura 46).
Figura 46 – Sinais de baixa amplitude durante a comunicação no cenário padrão e nos cenários 1 e 2,
respectivamente.
O resultado desse conjunto de testes é exibido na Figura 47, em que se
observa novamente que para curta distância o obstáculo do tipo “vidro” não causou
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 84
bloqueio para a comunicação (mesmo sendo 2 obstáculos), e sua transferência de
pacotes foi tão completa quanto a transferência sem obstáculo. No segundo teste,
com invólucros metálicos, a comunicação praticamente não perdeu nenhum pacote.
Essa perda (2 ou 3 pacotes) foi pequena ante a quantidade de pacotes enviados
(1000) e ao número de testes realizados (3 em 10 não se completaram), sendo
possível até considerar que não houve perda. Esses pacotes que não foram
recebidos podem ter sido refletidos pela superfície metálica e não terem alcançado
seu destinatário. O conjunto de testes 09 apresentará conclusões mais precisas,
pois trata-se de teste com similaridade (superfície metálica). Observa-se, também,
que sinais de baixa amplitude de redes wireless não exerceram influência que
pudesse ser considerada sobre a comunicação.
Figura 47 – Comparativo da eficiência da comunicação entre o cenário base e os cenários 1 e
2.
CONJUNTO DE TESTES 08.
Neste conjunto foram realizados 2 testes em ambiente de laboratório e sem
obstáculos, em que um cenário é inserido em meio a sinais de redes wireless de
baixa amplitude e o outro em meio a sinais de alta amplitude. O teste consiste em
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 85
realizar o envio simultâneo de pacotes por 2 unidades escravo para a unidade
mestre. A distância entre as unidades escravo e a unidade mestre é de 2 metros.
Para fins de avaliação desses cenários, utilizou-se de um teste padrão (sem
obstáculo e nas mesmas condições de rede wireless) para cada cenário, de modo a
servir como referência.
O obstáculo à comunicação a ser testado neste conjunto de testes não é
físico, mas a concorrência da transmissão de dados das unidades escravo para a
recepção pelo mestre na presença do fator “sinal de rede wireless” com sinal de
baixa ou alta amplitude. Nos cenários 1 e 2, insere-se uma rede RF para avaliar sua
influência sobre a transmissão concorrente de pacotes. Porém, no caso do cenário 1
o sinal é de baixa amplitude, enquanto que no caso do cenário 2 o sinal é de alta
amplitude.
A USI mestre determina, com um comando único às 2 USIs escravo, que elas
enviem os pacotes de dados. Esse comando único é possível quando as USIs
escravo apresentam o mesmo endereço. Assim, garante-se a simultaneidade das
transmissões. Nesse conjunto, apesar das USIs apresentarem o mesmo endereço,
os pacotes de dados enviados por cada uma são diferentes para possibilitar a
diferenciação da origem dos pacotes.
A Figura 48 ilustra as redes existentes no momento das comunicações, tanto
nas situações padrões quanto nas situações avaliadas. A primeira e a segunda
imagens representam os sinais de baixa amplitude de sinal (de modo a simular não
haver nenhum dispositivo com possível potencial para interferência na comunicação
próximo à unidade escravo); enquanto que a terceira e a quarta imagens
representam os sinais de alta amplitude, na tentativa de simular algum dispositivo de
frequência interferente próximo às unidades escravo.
A sequência de apresentação das imagens segue a seguinte ordem: situação
padrão e situação testada para o cenário 1, e situação padrão e situação testada
para o cenário 2.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 86
Figura 48 – Sinais de baixa amplitude (situação padrão 1), sinais de baixa amplitude (cenário 1); sinal
de alta amplitude (situação padrão 2) e sinal de alta amplitude (cenário 2), respectivamente.
O resultado desse conjunto de testes é exibido na Figura 49, de onde se
extrai 2 conclusões, que serão expostas em seguida.
Figura 49 – Comparativo entre as comunicações quanto a quantidade de USIs escravo enviando
pacotes simultaneamente diante de redes wireless de baixa e alta amplitude.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 87
No primeiro teste (situação padrão 1 e cenário 1), ambos com baixo sinal de
amplitude, é possível visualizar que a eficiência da comunicação nas 2 condições
tem valores e comportamentos parecidos, apesar de contatar-se que a situação
testada está abaixo da padrão (pois o cenário 1 apresenta 1 USI escravoa mais). A
redução dos pacotes na recepção pelo mestre pode ser explicada pelo conflito na
recepção de pacotes simultâneos, uma vez que os testes foram realizados sob
mesmas condições. No segundo teste (situação padrão 2 e cenário 2), ambos com
alto sinal de amplitude, a comunicação apresentou o mesmo comportamento que no
teste 1, ou seja, a comunicação foi mais eficiente quando recebendo pacotes de
apenas 1 USI. Portanto, percebe-se que a eficiência da comunicação foi reduzida
quando houve envio simultâneo de pacotes, tanto no cenário 1 quanto no cenário 2,
quando comparados com suas respectivas situações padrão. Esse fato corrobora
com a afirmação de que o envio simultâneo de muitos pacotes sucessivos para uma
única USI mestre não é benéfico para a comunicação, e de que o incremento de
mais USIs nessa comunicação provavelmente reduzirá ainda mais sua eficiência, ou
seja, quanto menor o número de USIs transmitindo simultaneamente, melhor será a
eficiência, pois o conflito na recepção dos pacotes será minimizado.
Além disso, percebe-se também que o comportamento da comunicação foi
menos eficiente no cenário em que há um sinal de RF interferente de alta amplitude
do que quando o sinal é de baixa amplitude, seja comparando as 2 situações
padrões seja comparando as 2 situações testadas. Logo, conclui-se que a presença
de um sinal de maior amplitude de redes wireless contribui para um decréscimo na
relação R/T dos pacotes, mesmo que de forma pequena, podendo até ser
desprezada para curtas distâncias (a depender do caso), pois a diferença não
chegou a 3% entre a maior e a menor relação R/T para testes dentro das mesmas
condições. Já para testes sob condições diferentes (situação padrão 1 e cenário 2)
essa diferença chegou a quase 5,5%, já não sendo mais desprezível em muitos
casos.
CONJUNTO DE TESTES 09
Neste conjunto foi realizado um teste sem obstáculos externo ao laboratório,
mas em ambiente fechado e confinado. Esse ambiente é o interior de um elevador
de serviço. Foi utilizado um teste padrão, para fins de comparação (sem obstáculo e
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 88
nas mesmas condições de rede wireless), realizado externo ao elevador (em
laboratório).
Os testes consistem em posicionar as unidades distantes em 1 metro,
executar o fechamento da porta (12 cm de espessura) do elevador com a USI
escravo em seu interior e a mestre no exterior, sob o mesmo nível (patamar),
verificar os sinais de redes wireless no ambiente e iniciar o envio de pacotes da USI
escravo para a USI mestre. O objetivo desse teste é simular ambientes muito
fechados, sem aberturas, cercados por superfícies metálicas, pois geralmente esses
ambientes são problemáticos para se estabelecer certos tipos de comunicação,
principalmente porque essas superfícies metálicas podem refletir as ondas
eletromagnéticas.
Novamente a condição de interferência por sinais de baixa amplitude foi
desconsiderada. Os sinais existentes durante a comunicação na situação padrão e
na situação testada (interior do elevador) são exibidos na Figura 50.
Figura 50 – Sinais de baixa amplitude durante a comunicação na situação padrão e na situação
adotada, respectivamente.
O resultado desse conjunto de testes é exibido na Figura 51, em que se
percebe que há diferença entre a situação padrão e a testada.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 89
Figura 51 – Comparativo entre as comunicações quanto ao confinamento de uma USI em elevador de
serviço.
A situação padrão teve sua relação R/T de pacotes completa, sem nenhuma
perda; enquanto que na situação testada, em todos os testes, houve perda de
pacotes. A diferença não foi tão significativa para a combinação “distância adotada
versus condição considerada”. A média de aproveitamento da relação R/T na
situação testada foi de 96,56%, apenas 3,44% abaixo da situação padrão. Vale
ressaltar que cinco das dez transmissões ficaram com aproveitamento próximo aos
98%, e em apenas 1 teste houve uma perda relativamente considerável para a
combinação “distância adotada x condição considerada”, que foi de 8%. Além do
mais, esse resultado foi o único que não seguiu o padrão mediano da relação R/T.
No entanto, fica constatada a influência de superfícies metálicas para a comunicação
via rádio frequência, pois nenhum teste teve sua relação R/T completa. Esses
pacotes perdidos tem relação com o tipo do ambiente na qual estava inserida a USI
escravo (ambiente fechado cercado por superfícies metálicas).
CONJUNTO DE TESTES 10
Neste conjunto de testes o foco da avaliação da comunicação não são
obstáculos físicos nem distância, mas sim os possíveis sinais interferentes na
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 90
transmissão dos pacotes. Para isso foram realizados quatro testes em ambiente de
laboratório e sem obstáculos.
Os testes consistem em distanciar as USIs em 2 metros, inserir a possível
interferência próxima à USI escravo e iniciar a transmissão dos pacotes para a USI
mestre, simulando, assim, equipamentos que possam interferir no envio e recepção
dos pacotes.
O primeiro teste realizado (Cenário 1) considerou um sinal de rede wireless
de alta amplitude e de mesmo canal que a USI escravo (canal 11) produzido por um
roteador wireless como possível interferência. A potência do sinal neste teste estava
em -22 dBm, enquanto nos demais ela estava ou próxima ou abaixo de -64 dBm
(considerado de potência fraquíssima), de modo que não tivesse contribuição para
os testes.
O segundo teste (Cenário 2) utilizou como possível fonte de interferência um
transceptor nRF 24L01+® com características e configurações iguais à unidade
transceptora escravo e utilizando o mesmo canal para comunicação (canal 1),
diferenciando-se apenas no endereçamento, pois esse transceptor perturbador não
está endereçado à USI mestre como está a USI escravo.
O terceiro teste (Cenário 3) avaliou se aparelhos de telefonia celular causam
interferência na comunicação. Apesar de telefones celulares utilizarem frequências
bem distintas (MHz) das unidades transceptoras (GHz) eles podem interferir em
diversos equipamentos e dispositivos.
O quarto teste (Cenário 4) considerou a possibilidade de um forno de microondas, com a porta fechada, causar interferência e provocar uma redução na relação
R/T dos pacotes.
Um fator que pôde ser desconsiderado, porém apenas para os Cenários 2, 3
e 4, foi a possível interferência por sinais de baixa amplitude (posto não haver
nenhum dispositivo com possível potencial para interferência na comunicação
próximo à unidade escravo).
A Figura 52 ilustra as redes wireless existentes no momento das
comunicações nos quatro cenários considerados. Elas foram dispostas na mesma
ordem da execução dos testes.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 91
Figura 52 – Sinal de alta amplitude para o Cenário 1 e de baixa para os Cenários 2, 3 e 4.
O resultado desse conjunto de testes é exibido nas Figura 53 e 54, de modo a
melhor visualizar a diferença na relação R/T de pacotes. Nelas percebe-se uma
redução clara (chegando a mais de 4% em alguns casos) na relação R/T quando há
um roteador wireless próximo à unidade escravo, diferentemente das demais
condições adotadas, em que a perda dos pacotes foi muito pequena (menos de
0,5%), e em todas as transmissões seguiu-se uma tendência semelhante. O teste
que apresentou maior sucesso foi o que utilizou o celular como possível fonte de
interferência. Nele e nos demais, à exceção da condição de sinal de alta amplitude,
verifica-se que houve perdas, podendo até ser consideradas desprezíveis para
curtas distâncias. Porém, para distâncias longas, elas podem vir a tornar-se
significativas.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 92
Figura 53 – Comparativo entre as comunicações quanto ao tipo de possível interferência.
Figura 54 – Comparativo entre as comunicações quanto ao tipo de possível interferência.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 93
4.2 RESULTADOS DOS TESTES DE LONGA DISTÂNCIA
Para realização dos testes de longa distância, adotou-se como referência a
média de valores informados no datasheet de outros transceptores como sendo de
distância máxima de transmissão ou recepção do transceptor (250 m), pois o
datasheet do nRF 24L01+® não faz alusão a essa distância máxima. Assim,
considerou-se como longa distância os valores superiores a 15 metros.
A comunicação aqui foi estabelecida entre uma USI mestre e uma USI
escravo, de modo a permitir o estudo dos fatores “distância”, “posicionamento” e
“direção” dos transceptores, bem como de outras possíveis causas interferentes
para a comunicação, como o vento ou a visada direta entre os equipamentos.
Os testes foram executados em ambiente externo ao laboratório, ou seja, em
campo aberto e com visada direta. Não se levou em consideração, para fins de
avaliação, o fator “sinal de alta amplitude de redes wireless”. Todas as redes
apresentavam sinal de baixa ou baixíssima amplitude para ter o mínimo de influência
e se permitir estudar outras causas atenuadoras da comunicação.
O fator “distância” foi escolhido para ser testado para se estudar até que
ponto a comunicação ainda é viável, ou seja, até onde sua eficiência ainda pode ser
considerada válida.
Dessa forma, estudou-se a partir de que distância a
comunicação não se torna mais viável devido à perda de pacotes. Intrínseco a esse
fator podem estar relacionados outros fatores, como o vento e a visada direta entre
as unidades.
CONJUNTO DE TESTES 01
Neste conjunto, foram realizados 3 testes sem obstáculos e com visada
direta. O objetivo é estudar o comportamento da comunicação sob condições de
direção e posicionamento dos transceptores à medida que o passo da distância
aumenta. Os 3 cenários trazem as 3 direções e posições dos transceptores, sendo
que cada cenário aborda uma direção e posição.
As distâncias utilizadas foram de 15, 30, 50, 65, 80, 90, 100 e 110 m para
cada cenário. Esses testes foram desenvolvidos de modo a permitir avaliar se
direção e posicionamento influenciam na comunicação e, caso afirmativo, avaliar a
eficiência da comunicação e as possíveis adversidades que possam tornar-se
empecilho à comunicação.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 94
Considerou-se a condição de sinal de baixa amplitude de redes wireless
(posto não haver nenhum dispositivo com possível potencial para interferência na
comunicação próximo à unidade escravo) para os 3 cenários.
O primeiro cenário estuda a Posição 1 (AC – CA), como pôde ser observado
na Figura 20 no início deste trabalho.
A Figura 55 ilustra as redes existentes (sinais interferentes) no momento das
comunicações nas distâncias de d1 = 15 m, d2= 30 m, d3 = 50 m e d4 = 65 m
durante os testes do cenário 1. A Figura 56 ilustra redes existentes no momento das
comunicações nas distâncias de d5 = 80 m, d6 = 90 m, d7 = 100 m e d8 = 110 m
durante o teste 01.
Figura 55 – Sinais de baixa amplitude nos testes do Cenário 1 para as distâncias de d1 = 15 m, d2 =
30 m, d3 = 50 m e d4 = 65 m.
Figura 56 – Sinais de baixa amplitude nos testes do Cenário 1 para as distâncias de d5 = 80 m, d6 =
90 m, d7 = 100 m e d8 = 110 m.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 95
O resultado desse cenário 1 é exibido na Figura 57, podendo-se perceber que
nas distâncias de d1 = 15 m e d2 = 30 m a transmissão e recepção dos pacotes foi
completa, e na distância de d3 = 50 m foi praticamente completa. A partir da
distância d4 = 65 m a comunicação mostrou-se muito instável, tendo alguns testes
com valores muito baixos ou muito oscilantes, assim também como resultados com
aproveitamento de quase 100%, como é o caso da distância d6 = 90 m.
Figura 57 – Comparativo entre as comunicações nas distâncias adotadas para o Cenário 1.
Portanto, percebe-se que fatores externos, tais como ventilação, influenciam
na comunicação para distâncias superiores a 50 m. Esta conclusão é ratificada pelo
conjunto de testes 4 da etapa de curta distância, em que se comprova a influência
do vento a uma distância de 1m entre as USIs. A probabilidade de redes wireless
com sinal de baixa amplitude terem causado interferência é muito baixa,
praticamente sendo descartada, pois como já visto nos conjuntos de testes
anteriores elas pouquíssimo ou em nada interferem, principalmente em casos como
esse que até a quantidade de redes existentes era bem pequeno quando comparado
com os conjuntos de testes da etapa de curta distância.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 96
No segundo cenário, os transceptores estão na Posição 2 (CA – AC), como
pôde ser visto na Figura 20 no início deste trabalho. O ambiente estava bastante
ventilado, com ventilação forte e intensa em determinados momentos.
Como na comunicação do teste anterior as distâncias de 15 m e 30 m não
sofreram alterações optou-se por iniciar este e o próximo cenário com a distância de
50 m. Considerou-se a condição de sinal de baixa amplitude de redes wireless
(posto não haver nenhum dispositivo com possível potencial para interferência na
comunicação próximo à unidade escravo). A Figura 58 ilustra as redes existentes no
momento das comunicações nas distâncias de d1 = 50 m, d2 = 65 m e d3 = 80 m
durante o cenário 2. A Figura 59 ilustra redes existentes no momento das
comunicações nas distâncias de d4 = 90 m, d5 = 100 m e d6 = 110 m durante o
cenário 2.
Figura 58 – Sinais de baixa amplitude no Cenário 2 para as distâncias de d1 = 50 m, d2 = 65 m, d3 =
80 m.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 97
Figura 59 – Sinais de baixa amplitude no Cenário 2 para as distâncias de d4 = 90 m, d5 = 100 m, d6 =
110 m.
O resultado desse cenário 2 é exibido na Figura 60, podendo-se perceber que
a comunicação em todas as distâncias apresentou-se bastante oscilante. As
distâncias de 65 m e 80 m foram quem apresentaram uma regularidade e
aproveitamento maior, mas ainda assim com alguma oscilação pontual. Já as
demais distâncias mostraram-se bastante irregulares e ineficientes para a relação
R/T dos pacotes, pois em alguns testes apresentaram bons resultados, já em outros
apresentaram resultados ruins. O passo referente à 110 m foi o mais distante e
mostrou-se repleto de picos opostos durante a comunicação.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 98
Figura 60 – Comparativo entre as comunicações nas distâncias adotadas no Cenário 2.
Sendo
assim,
constata-se
que
fatores
externos
influenciam
consideravelmente na comunicação para distâncias iguais ou superiores a 50 m.
Como o ambiente estava com ventilação forte e intensa em alguns momentos esse
pode ter sido um dos motivos da redução na transferência de pacotes, inclusive
sendo ratificado no conjunto de testes 4 da etapa de curta distância, em que se
comprova a influência do vento a uma distância de 1 metro entre as unidades. A
probabilidade de redes wireless com sinal de baixa amplitude terem causado
interferências é muito baixa, praticamente sendo descartada, pois como já visto nos
conjuntos de testes anteriores eles pouquíssimo interferem, principalmente em casos
como esse que até a quantidade de redes existentes era bem pequeno quando
comparado com os conjuntos de testes da etapa de curta distância.
Já no terceiro cenário os transceptores estão na Posição 3 (TF – FT),
conforme ilustra a Figura 18 no início deste trabalho. O ambiente estava bastante
ventilado, com ventilação forte e intensa em determinados momentos.
Considerou-se a condição de sinal de baixa amplitude de redes wireless
(posto não haver nenhum dispositivo com possível potencial para interferência na
comunicação próximo à unidade escravo). A Figura 61 ilustra as redes existentes no
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 99
momento das comunicações nas distâncias de d1 = 5 0m e d2 = 65 m e d3 = 80 m
durante o cenário 3. A Figura 62 ilustra redes existentes no momento das
comunicações nas distâncias de d4 = 90 m, d5 = 100 m e d6 = 110 m durante o
cenário 3. A Figura 63 apresenta o resultado dos testes desse cenário.
Figura 61 – Sinais de baixa amplitude no cenário 3 para as distâncias de d1 = 50 m, d2 = 65 m, d3 =
80 m.
Figura 62 – Sinais de baixa amplitude no cenário 3 para as distâncias de d4 = 90 m, d5 = 100 m, d6 =
110 m.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 100
Figura 63 – Comparativo entre as comunicações nas distâncias adotadas para o Cenário 3.
Pode-se perceber que a comunicação pouco oscilou, apresentando certa
regularidade no envio e recepção dos dados, seguindo-se uma média semelhante
para todos os resultados, à exceção da distância de 65 m que demonstrou certa
oscilação e alguns picos de queda acentuados quando comparados com o menor
pico de cada distância. Para as demais distâncias a variação na eficiência da
comunicação ficou em torno de 5% entre o melhor e o pior desempenho.
Sendo assim, constata-se que fatores externos influenciam na comunicação
para distâncias longas, como foi o caso da distância de 65 m em alguns testes e em
bem menor evidência as demais distâncias, que apresentaram algumas perdas
pequenas. Com o ambiente com ventilação forte e intensa em alguns momentos,
esse fator colaborou na redução na transferência de pacotes, inclusive sendo
ratificado no conjunto de testes 4 da etapa de curta distância, em que se comprova a
influência do vento a uma distância de 1 metro entre as USIs. A probabilidade de
redes wireless com sinal de baixa amplitude terem causado interferências é muito
baixa, praticamente sendo descartada, pois como já visto nos conjuntos de testes
anteriores elas pouquíssimo interferem, principalmente em casos como esse que até
a quantidade de redes existentes era bem pequeno quando comparado com os
conjuntos de testes de curta distância.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 101
Para um melhor estudo da eficiência da comunicação, esse conjunto de
testes que avalia as 3 direções/posições dos transceptores era imprescindível, pois o
próximo conjunto de testes abordará distâncias mais longas, e só é de interesse
realizar o teste para a posição mais promissora.
A Figura 64 exibe o comparativo entre o melhor teste de cada direção/posição
(definido pela média dos 10 testes da distância mais bem sucedida). A Posição 1
teve seu melhor desempenho na distânca de 90 m, a Posição 2 na distância de 80 m
e a Posição 3 na distância de 90 m.
A Figura 65 compara os piores testes cada direção/posição (definido pela
média dos 10 testes da distância pior sucedida). A Posição 1 teve seu pior
desempenho na distância de 100 m, a Posição 2 em 110 m e a Posição 3 em 60 m.
A Figura 66 exibe o gráfico da média final dos valores de cada
direção/posição das unidades transceptoras. Para se realizar essa média final fez-se
a média entre os 10 testes de cada distância e, ao final, fez-se a média total entre
todas as distâncias. Esse procedimento foi adotado para cada posição dos
transceptores.
A faixa de valores das distâncias, para fins de comparação, será de 50 a 110
metros, que são as distâncias que foram utilizadas em todos os testes.
Figura 64 – Comparativo entre o melhor teste de comunicação de cada direção e posicionamento a
cada passo de distância.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 102
Figura 65 – Comparativo entre o pior teste de comunicação de cada direção e posicionamento.
Figura 66 – Comparativo entre a média de valores dos resultados de cada teste de distância para as
direções e posicionamentos considerados.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 103
Expostos esses 3 gráficos comparativos, pode-se concluir, por unanimidade,
que a melhor direção e posição para a relação R/T dos pacotes é a Posição 3,
adotada no Cenário 3, e que a que apresenta a comunicação mais falha é a Posição
2, adotada no Cenário 2. Sendo assim, o próximo conjunto de testes irá considerar
apenas a Posição 3 para os transceptores, pois, como visto nas Figuras 57 e 60,
para distâncias iguais ou superiores a 100 m nas Posições 1 e 2 a comunicação já
não apresenta a eficiência e regularidade desejada como apresenta na Posição 3.
CONJUNTO DE TESTES 02
Neste conjunto de testes foram realizados cinco testes sem obstáculos e com
visada direta. O objetivo é estudar o comportamento da comunicação sob condições
de direção e posicionamento das unidades transceptoras à medida que o passo da
distância aumenta. A posição adotada para os transceptoress foi a Posição 3, uma
vez que já se verificou sua maior eficiência no conjuntos de testes anterior e na
etapa de curta distância.
As distâncias utilizadas foram de 100, 150, 200, 250 e 300 m para cada teste.
Esses testes foram desenvolvidos objetivando avaliar a eficiência da comunicação e
as possíveis adversidades que possam tornar-se empecilho à comunicação. O
ambiente estava bastante ventilado, com ventilação forte e intensa em determinados
momentos.
Considerou-se a condição de sinal interferente de RF de baixa amplitude para
todos os testes. A Figura 67 ilustra os sinais interferentes existentes no momento
dos testes nas distâncias de d1 = 100 m, d2= 150 m e d3 = 200 m. A Figura 68
ilustra os sinais interferentes existentes no momento das comunicações nas
distâncias de d4 = 250 m e d5 = 300 m.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 104
Figura 67 – Sinais de baixa amplitude para as distâncias de d1 = 100 m, d2 = 150 m e d3 = 200 m.
Figura 68 – Sinais de baixa amplitude para as distâncias de d4 = 250 m e d5 = 300 m.
O resultado desse conjunto de testes é exibido nas Figuras 69 e 70. A Figura
71 apresenta o resultado da média dos testes de cada distância, de modo a tornar
possível a visualização do comportamento da comunicação à medida que o passo
da distância aumenta.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 105
Figura 69 – Comparativo entre as comunicações nas distâncias adotadas.
Figura 70 – Comparativo entre as comunicações nas distâncias adotadas.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 106
Figura 71 – Eficiência da comunicação na relação R/T de pacotes para as distâncias adotadas.
A Tabela 3 apresenta o resumo dos testes desse conjunto.
Tabela 3 – Eficiência da comunicação (%)
Percebe-se que a relação R/T dos pacotes teve um comportamento um pouco
instável à medida que a distância aumentou, mas de certa forma até previsível, uma
RESULTADOS EXPERIMENTAIS 107
vez que outros transceptores transmitem até uma faixa aceitável de 250 m. Essa
comunicação, portanto, apresentou-se com certa eficiência nesses testes, pois na
faixa de 100 a 250 m o rendimento ficou entre 99,35% e 69,66%. Apenas para a
distância de 300 m que a comunicação não se mostrou viável, pois seu rendimento
médio ficou em 39,97%, apesar de um de seus testes (quinto) quase ter atingido
85% de sucesso na relação R/T dos pacotes.
Portanto, percebe-se que fatores externos influenciam na comunicação para
distâncias superiores a 100 m. Dependendo do fim ao qual seja aplicado e a
distância a que sejam submetidas as USIs a comunicação pode não ser adequada
com este transceptor. Como o ambiente estava com ventilação forte e intensa em
alguns momentos esse foi um dos motivos da redução na transferência de pacotes,
inclusive sendo ratificado no conjunto de testes da etapa de curta distância, em que
se comprova a influência do vento a uma distância de 1 metro entre as unidades. A
possibilidade de sinais interferentes de RF de baixa amplitude terem causado
interferência é muito baixa, sendo descartada, pois como visto nos testes anteriores
eles pouco interferem, principalmente em casos como esse em que o número de
sinais interferentes é pequeno.
5
CONCLUSÕES
CONCLUSÕES 109
5
CONCLUSÕES
Após os testes realizados para se avaliar a eficiência da comunicação
utilizando os módulos transceptores nRF 24L01+®, pode-se chegar a algumas
conclusões sobre a comunicação e sua eficiência diante de determinados fatores:

Considerando-se apenas o fator de curta distância (aqui estabelecida como
até 15m) em cenário livre de fatores com potencial para interferência, a
comunicação é realizada com êxito, apresentando 100% de eficiência ou
valores muito próximos;

A comunicação não é afetada pelo posicionamento ou direcionamento dos
transceptores ante suas perdas desprezíveis quando a comunicação ocorre
em distâncias curtas, mas apresenta uma melhor eficiência, sutilmente
percebida, na Posição 3 (TF – FT). Já para distâncias longas percebeu-se
que a Posição 3 mostrou-se com índices de eficiência bem superiores para a
realização da comunicação, quando comparada às outras 2, apresentando
uma média de quase 20% a mais na eficiência em relação à posição que teve
a segunda melhor eficiência (Posição 1) e mais de 30% em relação a de pior
desempenho (Posição 2);

Mesmo em distâncias curtas, as redes wireless com sinal de alta potência
causam atenuação na eficiência da comunicação, sendo esta atenuação
maior com o aumento do sinal da rede. Porém, em todos os testes a
atenuação não foi significativa, apresentando uma média de 2 a 3%, apenas.
Já redes wireless com baixo sinal de potência praticamente ou em nada
interferem quando se considera a transmissão para curtas distâncias (maioria
das aplicações deste transceptor, segundo [33]);

Constatou-se que a presença de vento influencia na comunicação: estando
em sentido favorável (USI escravo  USI mestre) contribui para a
comunicação; estando em sentido desfavorável torna-se obstáculo à
comunicação, causando perda de pacotes, e, consequentemente, redução na
relação R/T de pacotes;

A 1 m de distância, a comunicação não é afetada quando as unidades
transceptoras estão separadas por um obstáculo, seja de alvenaria, de vidro
CONCLUSÕES 110
ou metálico. No entanto, caso uma das unidades transceptoras esteja
confinada em um elevador de serviço (envolto por paredes de aço), mesmo
nesta distância há redução na eficiência (relação R/T), apesar de não tão
significativa (< 10%). Já quando as unidades estão separadas por duas ou
mais paredes de alvenaria a comunicação apresenta significativa redução em
sua eficiência à medida que se aumenta o número de obstáculos, sendo que
a partir de três paredes a comunicação já praticamente não se estabelece
(perda de 95% dos pacotes);

O envio simultâneo de pacotes por unidades transceptoras acarreta na
redução de pacotes de dados durante a recepção, apesar de insignificativa
para apenas 2 unidades e distância adotada (< 3% no pior caso). Segundo
[33], só é possível a recepção de pacotes de uma unidade por vez, só
estando a unidade receptora habilitada a receber pacotes por outra unidade
após completar a recepção do pacote pela unidade que anteriormente
transmitia;

Micro-ondas emitidas por forno de micro-ondas e sinais de telefonia celular
não causam interferência na comunicação; e outros transceptores realizando
comunicação na mesma frequência praticamente não causam interferência
(para endereços distintos), considerando sua perda de pacotes desprezível,
pois a maior redução foi de 0,18% na comunicação;

A comunicação apresenta uma alta eficiência até a distância de 200m, em
campo aberto, porém, já demonstrando certa oscilação na distância de 200m
(cerca de 50% de diferença entre o teste de menor e o de maior eficiência); e
a distância de 250m ainda pode ter sua eficiência considerada como
significativa para a comunicação, pois teve sua eficiência média bem próxima
dos 75% (com oscilação de 30% de diferença entre o teste de menor e o de
maior eficiência). Já a distância de 300m é considerada como ineficiente para
a comunicação, uma vez que a média de sua eficiência ficou em torno de
40%, apresentando oscilação entre 14% e 84% de pacotes transmitidos e
recebidos.
Em todos os casos, pode-se habilitar a função de confirmação de
recebimento de pacote e a de retransmissão de pacote, caso a recepção do pacote
CONCLUSÕES 111
não seja confirmada, para melhorar a eficiência da comunicação entre os
transceptores.
Há, ainda, diversos outros testes que podem ser realizados em projetos
futuros para avaliar a eficiência da comunicação via rádio frequência utilizando o
trasnsceptor aqui abordado, como testes que analisem a transmissão de pacotes
com as USIs em patamares diferentes (diferença de altura entre elas), a transmissão
simultânea de pacotes para uma rede de USIs composta por mais de 2 unidades
escravo, se há perda de pacote mesmo com o mecanismo ativado de confirmação
de recebimento e reenvio, a eficiência da comunicação para diferentes taxas de
transmissão, eficiência da comunicação para longas distâncias com obstáculos entre
as USIs, a eficiência da comunicação em condições atmosféricas adversas
(considerando chuva, trovoada, relâmpagos, entre outros), etc.
6
ANEXO 1
ANEXO 1 113
6
ANEXO 1 – ANEXO FOTOGRÁFICO
Figura 71 – Transceptores na Posição 1.
Figura 72 – Transceptores na Posição 2.
ANEXO 1 114
Figura 73 – Transceptores na Posição 3.
Figura 74 – Comparativo entre as dimensões do transceptor e de uma moeda nacional.
ANEXO 1 115
Figura 75 – Cenário 3 do Conjunto de Testes 04.
Figura 76 – Cenário 3 do Conjunto de Testes 05.
ANEXO 1 116
Figura 77 – .Cenário 1 do Conjunto de Testes 07.
Figura 78 – Cenário 2 do Conjunto de Testes 07.
Figura 79 – Cenário 4 do Conjunto de Testes 10.
7
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