Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
SISTEMA DE CONTROLE E MONITORAMENTO DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA
CLEBER C. FONSECA, DENNIS BRANDÃO
Laboratório de Automação Industrial, Departamento de Engenharia Elétrica, Escola de Engenharia de São
Carlos, Universidade de São Paulo
Av. Trabalhador Sãocarlense, 400 – São Carlos – SP – CEP 13560-970
E-mails: [email protected], [email protected]
Abstract
 Street lighting systems are composed of devices attached to the points of light connected via network, and applications that run on computers that indicate problems at the points of light and determining the amount of energy consumption. List
the lighting in failure, positioning the lighting in failure on maps, automate the process of reading the energy consumption and
adopt standards to enable collaboration and scalability of the solution are the motivations of this work. The proposed system architecture is modular and scalable, cell-based model allows a new set of devices can be added according to demand. In developing this work the C # language is adopted to develop control and monitoring via standard CyberOPC (Cybernetic OPC) and the
type XML files are used for description of devices and definition of network topology. Preliminary results validate the methodology, the proposed architecture and motivations. The next step of work is to implement the proposed system in a pilot test to
validate the characteristics of measuring energy consumption and receive alarms.
Keywords
 Street lighting system, Supportability, CyberOPC.
Resumo
 Sistemas de controle e monitoramento de iluminação pública são compostos por dispositivos acoplados aos pontos
de luz interligados via rede, e aplicativos que são executados em computadores que indicam problemas nos pontos de iluminação e apuram o valor do consumo de energia. Listar os pontos de iluminação em falha, posicionar os pontos de iluminação em
falha em mapas, automatizar o processo de leitura do consumo de energia e adotar padrões para permitir a colaboração e expansibilidade da solução são as motivações deste trabalho. A arquitetura do sistema proposto é modular e expansível, o modelo baseado em células permite que novos conjuntos de dispositivos possam ser adicionados de acordo com a demanda. No desenvolvimento do trabalho a linguagem C# é adotada para desenvolver o controle e monitoramento através do padrão CyberOPC (Cybernetic OPC) e arquivos do tipo XML são aplicados para descrição dos dispositivos e definição da topologia da rede. Os resultados preliminares validam a metodologia, arquitetura proposta e as motivações. O próximo passo do trabalho é implementar o
sistema proposto em um teste piloto para a validação das características de medição de consumo de energia e recepção de alarmes.
Palavras-chave
 Sistema de iluminação pública, Suportabilidade, CyberOPC.
1 Introdução
A resolução 414 de setembro de 2010 da Agência Nacional de Energia Elétrica (Agência Nacional
de Energia Elétrica - ANEEL, 2010) estabelece que a
pessoa jurídica de direito público é o responsável
pela operação e manutenção da iluminação pública,
sendo a pessoa jurídica de direito público um dos
seguintes poderes públicos federal, estadual ou distrital e municipal. A resolução ainda cita que a pessoa
jurídica de direito público pode contratar empresas
ou concessionárias de energia elétrica para manter os
pontos de iluminação.
As principais atribuições da empresa ou concessionária contratada são de estipular o valor de consumo de energia elétrica da iluminação pública mensalmente do município e manter o parque de iluminação pública operando.
A metodologia adotada para cálculo do consumo
de energia é baseado em número de pontos de iluminação instalados e quantidade fixa de horas de operação da lâmpada, podendo provocar dúvidas com relação ao valor estipulado do consumo de energia elétrica. A resolução 414 de setembro de 2010 (Agência
Nacional de Energia Elétrica - ANEEL, 2010) determina que uma lâmpada permaneça ligada diariamente
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onze horas e cinquenta e dois minutos para efeitos do
cálculo de consumo de energia elétrica na iluminação
pública.
Atualmente a notificação de problemas relacionados aos pontos de iluminação publica são de responsabilidade do usuário do sistema, as concessionárias são obrigadas a disponibilizar plantões por telefone vinte e quatro horas por dia e sete dias por semana para atender reclamações dos usuários. No contrato entre o poder público e a concessionária, multas
podem ser estabelecidas, caso a reclamação não seja
atendida dentro de um prazo estipulado. O pronto
atendimento para resolução de problemas de iluminação pública, como exemplo substituição de lâmpadas
defeituosas, esta relacionada diretamente com a segurança, pontos não iluminados facilitam a execução de
atos ilícitos por parte de criminosos, assim a substituição deve ser providenciada o mais rápido possível
pela concessionária. Outro problema na iluminação
pública são as lâmpadas que permanecem acesas durante todo o dia desperdiçando energia elétrica.
Para que o gestor de iluminação de pública possa
solucionar prontamente as falhas sem a dependência
do relato do usuário, Sistemas de controle e monitoramento de iluminação pública são propostos. Estes
Sistemas são compostos por dispositivos acoplados
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Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
aos pontos de luz interligados via rede, e aplicativos
que são executados em computadores que indicam
problemas nos pontos de iluminação, além de obter o
valor do consumo de energia do município.
Listar os pontos de iluminação em falha, posicionar os pontos de iluminação em falha em mapas,
automatizar o processo de leitura do consumo de
energia e adotar padrões para permitir a colaboração
e expansibilidade da solução são as motivações deste
trabalho.
2 Trabalhos Correlatos
2.1 Arquitetura
Nos trabalhos de Atici et al. (2011), Yao et al.
(2006), Long et al. (2009), Chunguo et al. (2007),
Chen e Liu (2009), Iordache et al. (2008) e Hong et
al. (2011), nota-se um padrão no que se refere a concepção da arquitetura, onde os nós sensores são agrupados por controladores de comunicação, que
formam uma célula. Essas células são formadas para
que geograficamente uma área possa ser monitorada/controlada, o controlador de comunicação coordena a comunicação entre os nós sensores da célula
com um aplicativo de gerenciamento.
2.2 Requisitos
Na literatura e nas soluções de mercado percebese um padrão das funcionalidades necessárias para
gestão de um sistema de iluminação pública. De forma geral, Denardin et al. (2009) afirmam que um
sistema de iluminação pública deve ser capaz de executar tarefas básicas como ligar, desligar, controlar
luminosidade (quando possível), medir consumo e
controlar o tempo de vida útil da lâmpada.
A partir da analise dos trabalhos correlatos podese dividir os requisitos em supervisão, controle, alarmes, operação remota e suportabilidade. Nesta
seção cada um deles é detalhado.
Supervisão: Lee et al. (2006) ilustram um exemplo bem típico de como um aplicativo de gerenciamento pode disponibilizar as informações do estado
das lâmpadas em tempo real, através de uma perspectiva gráfica onde o usuário pode facilmente identificar os estados de operação de um trecho da rede.
O aplicativo da empresa Streetlight.Vision, por
exemplo, monitora e antecipa o fim da vida útil de
uma lâmpada supervisionando seu estado. Denardin
et al. (2009) e Long et al. (2009) afirmam que além
de supervisionar os estados de operação dos pontos
de iluminação em tempo real, o sistema dever ser
capaz de monitorar variáveis de consumo das lâmpadas.
Controle: Operações como ligar, desligar e controlar luminosidade das lâmpadas são recursos presentes nos aplicativos das empresas Central Software
- Streetlight Intelligence Inc, EpiSensor, Strategic
Telemetry e Streetlight.Vision. Tais operações são
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efetuadas individualmente, ou seja, um nó sensor é
selecionado e o comando é enviado somente àquele
dispositivo. A empresa Streetlight.Vision e Long et
al. (2009) apresentam que o sistema de iluminação
pública pode de acordo com a necessidade de o usuário estabelecer controle unitário ou em grupo dos nós
sensores, um determinado comando é aplicado a vários nós sensores simultaneamente, possibilitando
uma maior produtiva para o operador do sistema.
Alarmes: Long et al. (2009) afirmam que o aplicativo de gerenciamento do sistema instalado no centro de controle deve ser capaz de suportar alarmes
para condições anormais de operação.
Operação à Distância: Os aplicativos das empresas Central Software - Streetlight Intelligence Inc
e Streetlight.Vision disponibilizam o controle completo do sistema via Internet, onde qualquer usuário
em qualquer lugar do mundo pode acessá-lo e comandar os nós sensores.
Redes de iluminação pública de grandes centros
consumidores são complexas e possuem um grande
número de dispositivos acoplados, para um melhor
gerenciamento e fácil localização dos dispositivos,
Chunguo et al. (2007) e as empresas Central Software
- Streetlight Intelligence Inc (2008), EpiSensor
(2009) e Streetlight.Vision (2009) reconhecem que
postes de iluminação devem ser georeferenciados em
mapas.
Suportabilidade: A integração de novos modelos
de nós sensores possibilita o aplicativo de gerenciamento a supervisionar/controlar nós sensores com
diferentes funcionalidades. Hong et al. (2011) emprega na sua solução nós sensores multifunção capazes de realizar as medições como: nível de CO2 presente no ambiente, a luminosidade do ambiente e
umidade.
2.3 Técnicas de supervisão e controle
Um sistema de controle de monitoramento de iluminação pública deve adotar um padrão para disponibilizar supervisão e controle. O padrão permite a
expansibilidade do sistema, assim novos aplicativos
podem ser integrados, sem que haja a necessidade do
entendimento do protocolo de comunicação por parte
do aplicativo.
Trabalhos correlatos em sua maioria não aplicam
padrões para supervisão e controle. Porém, o autor
Atici et al. (2011) apresentam uma arquitetura centralizada no servidor OPC-DA (OPC Data Access),
múltiplos segmentos de nós sensores comunicam-se
com o servidor OPC-DA, dispondo as suas variáveis.
O servidor OPC-DA facilita a manutenção de
supervisão/controle dos nós sensores, funções como
adição, remoção e edição são centralizadas, como
exemplo, ao se adicionar novos nós sensores a uma
célula já existente, as variáveis são mantidas no servidor e automaticamente os novos nós sensores estarão disponíveis ao aplicativo de gerenciamento para
monitoração/controle, sem que nenhuma mudança
seja necessária no aplicativo. Outra vantagem na a3512
Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
doção de um servidor OPC-DA é a capacidade de
expansão do sistema, múltiplos servidores podem ser
gerenciados por um único aplicativo de gerenciamento, centralizando assim a gestão do sistema. A padronização na comunicação entre o aplicativo de gerenciamento e o controlador de comunicação permite
uma arquitetura: aberta, distribuída, de fácil manutenção e expansível. As informações trocadas entre o
aplicativo e o OPC-DA são binárias, o que limita a
aplicação na Internet, firewalls restringem o trafego
deste tipo de informação, limitando a operação remota do sistema de controle e monitoramento. Os padrões OPC XML-DA (OPC XML Data Access) e o
CyberOPC foram concebidas para troca de dados
remotos pela Internet.
O autor TORRISI (2011) apresenta um estudo
comparativo entre OPC XML-DA e o CyberOPC, e
como conclusão apresenta que o CyberOPC prove
serviços similares ao OPC XML-DA de leitura e escrita e desempenho superiores na troca de dados pela
Internet. O CyberOPC é uma alternativa viável e eficaz para supervisão e controle em sistemas que requerem a operação remota.
3 Sistema proposto
O escopo do sistema de controle e monitoração
de iluminação pública é dispor aplicativos no computador de operação e no computador industrial, estabelecer comunicação entre o computador industrial e o
controlador de comunicação, possibilitar a integração
de dispositivos com funcionalidades distintas nos
aplicativos de gerenciamento e possibilitar o acesso
remoto do sistema ao usuário.
3.2 Requisitos
Os requisitos propostos são supervisão, controle,
alarmes, operação remota e suportabilidade. Nesta
seção cada um deles é detalhado.
Supervisão: O sistema propõe apresentar em
mapas e indicar os estados de operação dos nós sensores, além de periodicamente obter valores das variáveis de processo, como o consumo das lâmpadas,
além de permitir ao usuário solicitar dados de supervisão disponibilizados em interfaces gráficas.
Controle: O controle de múltiplos nós sensores é
determinado quando um comando de controle poderá
ser enviado a mais de um dispositivo simultaneamente. As características de controle do nó sensor deverão ser descritas e disponibilizadas pelo fabricante do
nó sensor.
Alarmes: A recepção de alarmes deve ser assíncrona, sem a necessidade de varredura periódica por
parte do aplicativo, quando uma falha ocorrer no
ponto de iluminação à notificação deve ser enviado
ao aplicativo do sistema e opcionalmente podem ser
enviados por correio eletrônico ou via mensagens
instantâneas para telefones celulares dos operadores
do sistema, desde que estes serviços estejam disponíveis.
Operação remota: Este trabalho se propõe a disponibilizar ao usuário os pontos de iluminação em
mapas com o estado de operação aplicando o Google
maps. As operações como supervisionar, controlar,
listar alarmes e visualizar a topologia são requisitos
desejados.
Suportabilidade: Permitir que diferentes fabricantes de nós sensores integrem seus dispositivos a
solução é um requisito. O arquivo do tipo XML é
adotado para descrever os dispositivos.
3.1 Arquitetuta
A arquitetura proposta se baseia no modelo de
células. A célula tem como função prover o acesso de
supervisão/controle para um determinado número de
nós sensores aos aplicativos de gerenciamento. Por
definição, o nó sensor é o dispositivo acoplado ao
ponto de iluminação capaz de comunicar-se via rede
sem fios. A Figura 1 apresenta a arquitetura do sistema e ilustra a célula 01 responsável por agrupar alguns sensores, ainda mostra a capacidade de adição
de novas células até que todos os pontos de iluminação de uma cidade sejam mapeados.
Figura 1. Arquitetura do Sistema.
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4 Metodologia
A linguagem de programação adotada na metodologia é a C#. Esta linguagem apresenta as seguintes
características suporte a orientação a objetos baseado
em herança simples de classes, herança múltipla de
interfaces, gerenciamento de memória automática,
tipagem forte e executa num ambiente gerenciado, no
qual a segurança e integridade das operações efetuadas pelos programas podem ser garantidas.
A ferramenta adotada para se desenvolver as
classes e componentes é o Visual C# 2008 Express
Edition.
Na metodologia, arquivos do tipo XML são adotados, uma vez que a linguagem XML permite fácil
categorização, é compreensível pelo ser humano, é
considerada como uma linguagem que pode ser portável e não é proprietário, podendo ser utilizada para
armazenamento de informação em qualquer plataforma computacional.
O padrão adotado de comunicação entre os computadores de operação e o industrial é o CyberOPC.
O CyberOPC é um projeto de pesquisa acadêmico
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Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
que propõe se a ser um sistema de comunicação aberto, baseado em HTTP (Hyper Text Transfer Protocol), especialmente desenvolvido para controlar e
supervisionar sistemas industriais remotamente através de redes IP (Internet Protocol) públicas (Torrisi,
2011).
4.1 Supervisão, controle e alarmes
A comunicação funciona da seguinte forma: os
aplicativos de gerenciamento dispostos no computador de operação solicitam dados de supervisão e controle via rede Ethernet ao computador industrial instalado na cabine. Logo após, a solicitação é recebida
pelo computador e repassada ao controlador de comunicação conectado a porta de serial. O controlador
de comunicação por sua vez transmite via rede sem
fio a solicitação, identificando o pedido.
Os nós sensores recebem as notificações, processam a requisição e transmitem a resposta via rede
sem fio até o controlador.
A resposta é recebida pelo controlador via rede
sem fio e repassada via porta serial ao computador, o
computador industrial envia a resposta ao computador de operação pela rede Ethernet.
4.2 Suportabilidade (Verifique o formato do parágrafo)
A suportabilidade é aplicada adotando-se para
cada modelo de nó sensor um arquivo do tipo XML,
nomeado como arquivo de descrição do nó sensor ou
arquivo de descrição.
No arquivo do tipo XML o fabricante do nó
sensor descreve a coleção de parâmetros, grupos de
variáveis de alarmes/processo e opcionalmente grupos de interface homem máquina (IHM).
4.3 Serviço de monitoração
O serviço de monitoração é responsável por monitorar os estados de operação e coletar periodicamente valores de processo e armazená-los.
O usuário deve configurar o período de varredura para coleta dos valores de processo. A monitoração é realizada em um computador de operação, que
é um cliente CyberOPC.
5 Resultados preliminares
Para validar a metodologia e o sistema proposto
foram desenvolvidos um simulador de nós sensores,
os serviços responsáveis pela monitoração de alarmes
e consumo, e uma página HTML.
A célula é composta pelo simulador acoplado a
um servidor CyberOPC. A função do servidor é de
disponibilizar supervisão e controle aos aplicativos
dispostos no computador de operação via rede Ethernet. A página apresenta os alarmes em forma de lista
ou em mapas e o gráfico de consumo mensal de energia.
O aplicativo de simulação dispõe ao servidor
CyberOPC os valores das variáveis de supervisão e
controle e simula as condições de um sistema de iluminação pública sem fio.
No simulador de nós sensores, o usuário define
os parâmetros ciclo de um dia, potência da lâmpada,
atraso da rede, tempo de operação e limite de operação, seleciona-se os nós sensores e inicia a simulação.
Ao iniciar a simulação, os parâmetros potência
da lâmpada, tempo de operação e limite de operação
são atribuídas as variáveis internas dos sensores selecionados.
O parâmetro ciclo de um dia é especificado em
segundos e determina qual é a frequência de um dia
para simulação.
A cada ciclo de dia, o consumo de energia é calculado, o tempo de operação é incrementado em 12
horas e os alarmes tempo de operação da lâmpada e
de lâmpada queimada são verificados.
O alarme tempo de operação da lâmpada excedido é ativado, caso o tempo de operação supere o limite de operação estabelecido. O alarme lâmpada
queimada é habilitado, quando o tempo de operação
for superior a 10% do limite de operação.
Para simular atraso nas respostas da rede sem fio, o parâmetro atraso da rede é aplicado. A Figura 2
apresenta o simulador de nós sensores.
4.4 Operação remota
A operação é remota é subdividida em duas partes o servidor de operação remota e o navegador de
Internet. No servidor de operação remota, páginas do
tipo HTML e serviços são dispostos.
Na operação remota, o usuário abre uma página
em formato HTML armazenada no Servidor de operação remota em seu navegador de Internet.
Para mapear os pontos de iluminação em mapas,
o serviço de mapeamento Google maps (2010) dispõe
de recursos de software para manipular mapas utilizando bibliotecas escritas em Java Script.
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Figura 2. Simulador de nós sensores.
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Outro recurso disponível no simulador é a modificação dos valores das variáveis dos nós sensores.
Ao selecionar um nó sensor em simulação uma lista é
apresentada. Essa lista é composta pelas variáveis,
obtidas no arquivo de descrição, e os valores calculados pelo simulador.
O usuário seleciona a variável na lista, modifica
o valor e submete a alteração ao simulador. A figura
3 ilustra a lista de variáveis disponíveis para edição
de um sensor.
servidor CyberOPC para averiguar a existência de
ocorrência de alarmes.
Os alarmes ativos são mantidos pelo serviço. Outra característica do serviço é executar a leitura mensal do consumo de energia dos nós sensores e armazená-lo.
Para prover a IHM, uma página HTML foi desenvolvida e disposta em um servidor HTTP. A página comunica-se com o serviço de monitoração e dispõe os alarmes ativos em forma de lista ou em mapas,
além do consumo de energia.
No mapa somente os nós sensores com alarme
ativo são indicados.
A Figura 5 mostra a página “MapaAlarmesGoogleV3.htm” mapeando os pontos de iluminação no
mapa em um navegador de Internet.
Figura 3. Lista de variáveis de um nó sensor.
Outro resultado obtido foi a integração da comunicação bidirecional entre o servidor CyberOPC e o
simulador dispostos no mesmo computador, aplicando a técnica de conexão de loopback virtual entre
portas seriais. Esta técnica permite que duas portas se
conectem virtualmente, permitindo a troca de dados
entre as mesmas.
Assim foi possível disponibilizar os valores das
variáveis dos nós sensores em simulação ao servidor
CyberOPC, além do envio de requisições de supervisão/controle do servidor pro simulador.
O servidor CyberOPC foi testado por um cliente
CyberOPC usual, validando a supervisão e controle
das variáveis dos sensores em simulação. No cliente
foi possível visualizar os valores das variáveis em
simulação. A Figura 4 apresenta o servidor CyberOPC.
Figura 5. Página “MapaAlarmesGoogleV3.htm”.
A lista de alarmes possui as seguintes colunas:
número de identificação do sensor (Sensor), variável
do nó sensor que originou o alarme (Parâmetro), descrição (Alarme) e o horário de ocorrência da falha.
A lista pode apresentar simultâneos alarmes para
um único sensor.
A severidade do alarme é apresentada na coluna
Alarme, conforme especificado no arquivo XML de
descrição. A Figura 6 ilustra a lista de alarmes ativos.
Neste cenário foi testada a capacidade de apresentar alarmes na IHM. Eventos de alarmes ocorridos
no simulador foram apresentados na lista e no mapa.
Figura 4. CyberOPC Servidor.
Uma vez validada a supervisão e controle do
CyberOPC, e a integração com o simulador, o serviço
de monitoração foi desenvolvido e disposto no computador de operação, para supervisão dos alarmes.
O serviço de monitoração por definição é um
cliente CyberOPC, que periodicamente conecta-se ao
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Figura 6. Lista de alarmes ativos.
O consumo de energia é apurado mensalmente
pelo serviço de monitoramento e registrado. Um gráfico foi desenvolvido com o objetivo de ilustrar o
consumo de um sistema de iluminação público. A
Figura 7 apresenta o gráfico de consumo.
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Figura 7. Gráfico de consumo.
O Sistema proposto atende ao requisito de integração, múltiplos fabricantes de nós sensores podem
acoplar os seus nós sensores a solução, aplicando a
técnica de suportabilidade, descrevendo suas características em arquivos do tipo XML.
Com os resultados preliminares conclui-se que, o
sistema atende aos requisitos necessários para supervisão e controle de um sistema de iluminação pública, além de empregar uma arquitetura expansível e
abrangente.
A integração de dispositivos reais com a solução
e visualizar o estado de operação da lâmpada (ligada/desligada) são resultados esperados.
Agradecimentos
6 Conclusão
O grande objetivo da leitura e análise de trabalhos correlatos é balizar o estabelecimento e definição da arquitetura e características, pra prover a comunicação entre um software disposto em um computador e o sistema de iluminação pública, assim
diversas soluções são apresentadas na literatura e no
mercado.
O desafio é escolher qual é a melhor rede para a
comunicação, muitos trabalhos correlatos empregam
o padrão GPRS ou GSM, ou seja, aplicam a infraestrutura da rede de celular para estabelecerem a comunicação.
O grande problema de se aplicar este tipo de solução é a cobertura plena de um centro urbano, onde
a rede de celulares é limitada a uma determinada região. Outro ponto negativo é a tarifação por transferência de dados, tornando a operação do sistema oneroso.
A arquitetura proposta adota a sua própria infraestrutura de comunicação, com isso a operação do
sistema não se torna onerosa economicamente, pois
não é tarifada por transferência dos dados. Outra vantagem é a possibilidade de cobertura e expansão independentemente.
Para validar a arquitetura proposta, uma célula
foi criada com nós sensores simulados acoplados ao
servidor CyberOPC. A comunicação entre os nós
sensores e o serviço de monitoração foi testada com
sucesso. O próximo resultado esperado é criar múltiplas células para verificar os limites e desempenho da
solução proposta.
Nos testes preliminares foi possível testar a supervisão e recepção de alarmes. O requisito de controle foi testado entre o servidor CyberOPC e o cliente CyberOPC usual, e como resultado futuro esperase dispô-lo na página HTML.
A integração de dispositivos é um recurso limitado em trabalhos correlatos e soluções de mercado,
ou seja, são soluções proprietárias, apenas os dispositivos do próprio fabricante da solução são integrados
ao sistema, impossibilitando a integração de dispositivos de outros fabricantes.
ISBN: 978-85-8001-069-5
Os autores agradecem à estrutura acadêmica de
pesquisa da Escola da Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo. Reconhecem também as
contribuições técnicas da empresa Smar Equipamentos Industriais Ltda.
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