MARCELO RODRIGO DOS SANTOS ANDRIOLLI DESENVOLVIMENTO DE UM GATEWAY ETHERNET PARA REDES IEEE

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1 MARCELO RODRIGO DOS SANTOS ANDRIOLLI DESENVOLVIMENTO DE UM GATEWAY ETHERNET PARA REDES IEEE Florianópolis, 2014

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3 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO LATO SENSU ESPECIALIZAÇÃO EM DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS ELETRÔNICOS MARCELO RODRIGO DOS SANTOS ANDRIOLLI DESENVOLVIMENTO DE UM GATEWAY ETHERNET PARA REDES IEEE Trabalho de conclusão de curso submetido à banca examinadora do curso de Pós-Graduação Lato Sensu Especialização em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina, como requisito parcial à obtenção do certificado de Especialista em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos. Professor Orientador: Hugo Marcondes, Me. Florianópolis, 2014

4 CDD A573d Andriolli, Marcelo Rodrigo dos Santos Desenvolvimento de um gateway ethernet para redes [MP] / Marcelo Rodrigo dos Santos Andriolli; orientação de Hugo Marcondes. Florianópolis, v.: il. Monografia de Pós - Graduação (Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Inclui referências. 1. Sensores sem fio. 2. Gateway. 3. Ethernet. 4. IEEE. 5. Microcontrolador. I. Marcondes, Hugo. II. Título. Sistema de Bibliotecas Integradas do IFSC Biblioteca Dr. Hercílio Luz Campus Florianópolis Catalogado por: Ana Paula F. Rodrigues Pacheco CRB 14/1117

5 DESENVOLVIMENTO DE UM GATEWAY ETHERNET PARA REDES MARCELO RODRIGOS DOS SANTOS ANDRIOLLI Este trabalho foi julgado adequado para obtenção do certificado de Especialista em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos e aprovado na sua forma final pela banca examinadora do Curso de Pós- Graduação Lato Sensu Especialização em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Florianópolis, 12 de Setembro de Banca Examinadora: Hugo Marcondes, Me. Everton Luiz Ferret dos Santos, Me. Eng. Leandro Schwarz, Me. Eng.

6 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a minha mãe Janete, que nunca mediu esforços para me apoiar em todos os momentos em minha vida, pelo amor incondicional, exemplo de determinação e carinho. A minha namorada, Maíra pelo seu amor, por ser uma grande incentivadora e companheira. Ao meu irmão Matheus e Leonardo pelo suporte e apoio. Ao meu sócio e amigo Alexandre pelo apoio e parceria nos negócios. A todos os professores que ministraram aulas para sexta turma da Pós Graduação em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos, pelos conhecimentos transmitidos. Ao professor Hugo Marcondes por ter se disponibilizado a me ajudar na elaboração deste trabalho.

7 A inteligência é o poder que torna possível a realização dos sonhos. (Rubem Alves)

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9 RESUMO Os avanços tecnológicos ocorridos nos últimos anos nas áreas de microeletrônica embarcada, telecomunicações, computação e sistemas móveis, vem possibilitando o desenvolvimento de novos paradigmas de telemetria e redes de senores sem fio. Novos padrões foram desenvolvidos, como IEEE e Zigbee, buscando a interoperabilidade entre sistemas e dispositivos de diferentes fabricantes. O que alavancou esta tecnologia foi o desenvolvimento das redes Zigbee. Aliada a flexibilidade e baixo consumo, tornou-se assim uma tecnologia interessante se tratando de redes com um grande número de nós e baixa transferência de dados. Devido ao crescimento desta tecnologia, as RSSF começaram a surgir em áreas que até então não eram esperadas, tais como agricultura de precisão e VANTs. De modo a permitir a integração com redes locais e a internet, alguns fabricantes já comercializam dispositivos gateway com tecnologias /Zigbee e Ethernet. Dentro deste cenário, o presente projeto propõem um protótipo de gateway Ethernet para redes IEEE integrado à um sistema supervisório. O protótipo embarcado proposto, permite que os dados recebidos da rede IEEE possam ser enviados através de mensagens HTTP a um sistema supervisório Palavras-Chave: IEEE , RSSF, Gateway, Ethernet, SCADA.

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11 ABSTRACT Over the past few years, the technological breakthroughs in embedded microelectronics, telecommunication, data processing and mobile systems, enabled the development of new paradigms in telemetry and wireless sensor networks. New standards were developed, such as IEEE and Zigbee, seeking the interoperability between systems and devices from different manufacturers. Much of the advances in the area were due to the development of Zigbee networks. Combining flexibility and low energy consumption, it became an attractive technology for networks with many nodes and low data transfer rate. Due to the growth of this technology, WSNs started to emerge in unexpected markets, such as precision agriculture and unmanned aerial vehicles (UAVs). In order to allow integration with local networks and the internet, some manufacturers already offer gateway devices with the /Zigbee and Ethernet technologies. Within this scenario, this project proposes a prototype of Ethernet gateway for an integrated supervisory system IEEE networks. The proposed embedded prototype allows data received from the IEEE network can be sent via HTTP messages to a supervisory system. Keywords: IEEE , WSN, Gateway, Ethernet, SCADA.

12 LISTA DE FIGURAS Figura'1')'Modelo'Genérico'de'RSSF'com'sink%e'gateway.'Adaptado'de'(LOUREIRO''' et'al.,'2003)...26 ' Figura'2')'Hardware'básico'de'um'nó'sensor.'Adaptado'de'(LOUREIRO'et' al.,2003)...27' ' Figura'3' 'Mica2'mote'da'Crossbow'Inc...30' ' Figura'4' 'Nó'sensor'eyeIFXv2'da'Infineon'(KARLS'e'WILLING,' 2005).30' ' Figura'5' 'Nó'sensor'BtNode'da'ETH'Zürich'(KARL'e'WILLING,'2005).. 31' ' Figura'6' 'EPOSMote'II'(FRÖHLICH et'al,'2011)...32' Figura'7')'Visão'geral'da'arquitetura'do'EPOSMote'II'(FRÖHLICH'et'al,'2011).33' ' Figura'8' 'Arduino'UNO'(Arduino,'2014)... 34' ' Figura'9')'Xbee'(DIGI,'2011) 35' ' Figura'10')'Modelo'de'Gateway'Ethernet'Proposto..40' ' Figura'11' 'Módulo'Wiz811MJ'...42' ' Figura'12' 'Protótipo'Gateway'Ethernet...44' ' Figura'13' 'IDE'Arduino...45' ' Figura'14' 'Formato'da'mensagem'SPI...48' '' 'Figura'15' 'Inicialização'da'biblioteca'Ethernet'' 49' ' Figura'16' 'Formato'da'URL'para'requisição'HTTP'no'SCADABr..50' '' Figura'17' 'Fluxograma'de'inicialização...51'

13 ' Figura'18' 'Fluxograma'de'principal...52' ' Figura'19')'Diagrama'do'sistema...53' ' Figura'20')''Cenário'de'teste...55' ' Figura'21' 'Depuração'serial'para'o'caso'1...57' ' Figura'22')''Watch'list'SCADABr...57' ' Figura'23')''Captura'dos'pacotes'HTTP...58' ' Figura'24')''Depuração'pela'serial'caso'2...59' ' Figura'25')''Watch'list'SCADABr...59' '

14 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Principais características das plataformas RSSF...36 Tabela 2 - Principais características das plataformas SCADA..39 Tabela 3 - Configuração do módulo Xbee...47 Tabela 4 - Custos do projeto...54

15 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS A/D Analógico/ Digital ADC Analog to digital converter ADESD - Application-Drive Embedded System Design API Application Programming Interface ARP Address Resolution Protocol AT - Attention BSD - Berkeley Software Distribution EPL - Eclipse Public License GPIO General Purpose Input/Output HTTP - Hypertext Transfer Protocol ICMP Internet Control Message Protocol IDE Integrated Development Environment IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IGMP Internet Group Management Protocol IHM Interface Homem-Máquina IP Internet Protocol IPv4 Internet Protocol version 4 ISM Industrial, Scientific and Medical radio bands ISO International Organization for Standardization OSI Open Systems Interconnection LED - Light Emitting Diode LR-WPAN Low rate Wireless Personal Area Network MAC - Media Access Control MEMS Microelectromechanical systems MISO Master Input Slave Out MOSI Master Output Slave Input OPC OLE for Process Control PC Personal Computer PHP Hypertext Preprocessor PHY Physical Layer PiP Platform-in-Package

16 POSIX Portable Operating System Interface PPOE Point-to-Point Protocol over Ethernet PWM Pulse-width modulation RAM Random Access Memory RF Rádio Frequencia RSSF Rede de Sensores Sem Fio RTOS - Real Time Operation System RX Receptor SAW surface Acoustic Wave SCADA Supervisory Control and Data Acquisition SCLK Serial Clock SOAP Simple Object Access Protocol SPI Serial Peripheral Interface SS Slave Select TCL Tool Command Language TCP Transmission Control Protocol TCP/IP Transmission Control Protocol/ Internet Protocol UDP User Datagram Protocol TX Transmissor UART Universal Asynchronous Rceiver/Transmitter USB Universal Serial Bus VANTs Veicúlos Áereo não Tripulados VB Visual Basic

17 SUMÁRIO 1'INTRODUÇÃO...22'' 1.1#OBJETIVOS...23, 1.1.1'Objetivo'geral...23# 1.1.2'Objetivos'específicos...'23# 1.2JUSTIFICATIVA...,24, 1.3,ESTRUTURA,DO,TRABALHO...24, 2'FUNDAMENTAÇÃO'TEÓRICA...25' 2.1,REDE,DE,SENSORES,SEM,FIO...25, 2.1.1Princípio'de'Funcionamento...25' 2.1.2'Nó'sensores...26'' 2.1.3'Padronização...28'' 2.1.4'Aplicações...29' 2.1.5'Plataformas...29' 2.2,SCADA...,36, 2.2.1'Princípio'de'Funcionamento...37' 2.2.2'Aplicações...37' 2.2.3'Softwares'SCADA...38' 3 DESENVOLVIMENTO ,MODELO,PROPOSTO...40,, 3.2,HARDWARE...41, 3.2.1'Modulo'Ethernet...41' 3.2.2'Microcontrolador...42' 3.2.3'Rádio'IEEE'' '43' 3.2.4'Prototipo...44'' 3.3,DESENVOLVIMENTO,DO,FIRMWARE...45' 3.3.1'Ferramentas'utilizadas...45' 3.3.2'Integração'do'módulo'Xbee...46' 3.3.3'Integração'do'shield'Ethernet'W ' 3.3.4'Integração'com'Servidor'SCADA...50' 3.3.5'Descrição'do'software...51'

18 3.4#CUSTOS#DO#PROJETO...53# ' 4 TESTES REALIZADOS E RESULTADOS...55, 4.1,CENÁRIO,DE,TESTES...55, 5 CONCLUSÃO...60 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...62 # #

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20 1 INTRODUÇÃO Os avanços tecnológicos ocorridos na última década nas áreas de sensores, circuitos integrados e comunicação sem fio, possibilitaram a criação de redes de sensores sem fio. Esse tipo de rede pode ser aplicada no monitoramento, rastreamento, coordenação e processamento em diferentes contextos (LOUREIRO et al., 2003). Com o desenvolvimento das RSSF, novos padrões tais como IEEE e Zigbee, foram desenvolvidos buscando-se a interoperabilidade entre sistemas e dispositivos de diferentes fabricantes. Com esses novos padrões, vem surgindo uma demanda crescente de aplicações e serviços como, por exemplo, monitoramento ambiental, agricultura, monitoramento e controle remoto sem fio na produção e distribuição inteligente de energia (Smart Grids) e de muitas outras aplicações de telemetria. Para o desenvolvimento de tais aplicações é indispensável interação das RSSF com redes locais e ou Internet, de modo a permitir que os dados coletados pelos nós sensores possam ser analisados e ou acessados remotamente. Em uma RSSF, um dispositivo gateway é responsável por permitir a integração dos nós sensores a redes locais ou a Internet, possibilitando a interação entre ambas as redes (KARL e WILLING, 2005). Considerando a crescente demanda de aplicações em RSSF, o presente trabalho propõem o desenvolvimento de um protótipo de gateway Ethernet para redes IEEE integrado a um sistema supervisório. É proposto um sistema embarcado a fim de receber os dados de uma rede IEEE , formatá-los em mensagens HTTP e transmiti-los a um sistema supervisório.

21 OBJETIVOS Objetivo geral Desenvolver um protótipo de gateway Ethernet para redes integrado um sistema supervisório Objetivos específicos Conhecer os protocolos e tecnologias necessárias para execução deste projeto. Definir hardware necessário para o desenvolvimento do gateway ethernet para redes Definir uma arquitetura de software embarcado apropriada de modo a garantir um fluxo de informação entre uma rede IEEE e uma rede Ethernet. Definir um sistema supervisório baseado em Web para a Integração com o gateway proposto. Desenvolver o firmware. Efetuar teste de comunicação com nós sensores. Efetuar testes de comunicação entre o gateway proposto e sistema SCADA baseado em Web. Documentar resultados obtidos nos testes.

22 JUSTIFICATIVA Nos últimos anos, tem surgido uma variada gama de aplicações de sensoriamento em diferentes nichos de mercado, desde aplicações industriais como monitoramento de processos químicos, comerciais como edifícios inteligentes (smart building), a domésticas como casas inteligentes (smart home). O desenvolvimento de um equipamento que atue como um gateway entre redes IEEE e rede Ethernet visa suprir a demanda nacional crescente para aplicações de sensoriamento e telemetria. 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO Este trabalho está organizado como segue. No capítulo 2 são apresentadas as bases teóricas das tecnologias empregadas. No capítulo 3, é apresentado o escopo do projeto, seus componentes como um todo, recursos de hardware e software utilizados e implementados ao longo do desenvolvimento. No capítulo 4, apresenta-se os resultados alcançado pela solução proposta. No capítulo 5, apresentam-se as conclusões e sugestões de melhorias para continuidade do projeto desenvolvido.

23 25 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Rede de sensores sem fio Uma RSSF pode ser definida como uma rede de dispositivos, chamados nós, que podem sentir o ambiente e comunicar as informações obtidas a partir do campo monitorado, através de enlaces sem fio (AKYILDIZ et al., 2002) (TORIUMI; SEI; SHINICHI, 2008). Redes de sensores sem fio diferem de redes de computadores tradicionais em vários aspectos. Normalmente, essas redes possuem um grande volume de nós sensores distribuídos, têm restrições de energia e devem possuir mecanismos para auto-configuração e adaptação devido a problemas como falhas de comunicação e perda de dados. Uma RSSF tende a ser autônoma e requer um alto grau de cooperação para executar as tarefas definidas para a rede (LOUREIRO et al., 2003) Princípio de Funcionamento Em uma RSSF, cada nó sensor é equipado com uma variedade de sensores e atuadores, como acústico, sísmico, infravermelho, vídeo-câmera, calor, temperatura e pressão. Esses nós podem ser organizados em grupos (cluster), nos quais pelo menos um dos sensores deve ser capaz de detectar um evento na região, processá-lo e decidir se deve ou não fazer uma difusão (broadcast) do resultado para outros nós sensores. Podem também se organizarem em malhas (mesh), nas quais os dados podem percorrer qualquer um dos caminhos existentes até o destino (D. SHARMA et al., 2013). Os nós sensores também podem prover dados, que são processados ou consumidos por nós especiais chamados de sorvedouros (sink nodes) (LOUREIRO et al., 2003). A comunicação da RSSF com outras redes ocorre através de nós chamados gateways. Mensagens percorrem a rede de sensores até chegar a um gateway que irá encaminhá-las a uma rede como Internet, até um computador que roda a aplicação

24 26 (LOUREIRO et al., 2003). A figura 1, ilustra o modelo genérico de uma RSSF conectada a uma rede fixa através do nó gateway. Figura 1 - Modelo Genérico de RSSF com sink e gateway. Adaptado de (LOUREIRO et al., 2003) Nó sensores Nós sensores, são dispositovos autônomos equipados com capacidade de sensoriamento, processamento e comunicação. Os componentes básicos de um nó sensor são: transceptor, memória, processador, sensor e bateria, conforme apresentados na figura 2 (LOUREIRO et al., 2003).

25 27 Figura 2 - Hardware básico de um nó sensor. Adaptado de (LOUREIRO et al., 2003). O Processador ou microcontrolador é responsável pela coleta de dados dos sensores, processamento desses dados, decide quando e para onde enviá-los, recepção de dados de outros nós sensores e decide o comportamento do atuador. Normalmente, o microcontrolador ou processador tem memória interna ou externa que possibilita o armazenamento das informações coletadas e/ou processadas (KARL e WILLING, 2005). O nó sensor precisa de uma fonte de energia para manterse em operação. Essa energia pode ser fornecida através de bateria ou pode ser coletada do meio ambiente. A energia pode ser coletada de diversas fontes tais como, solar, vibração, mudança de temperatura, variação de pressão e fluxo de água. Para nós sensores, a energia geralmente é um recurso limitado (SHARMA et al., 2008). Sensores e atuadores são usados como interface do nó sensor para o mundo físico. Um nó sensor é usado para observar o ambiente físico ao redor e os atuadores para alterar o ambiente. Os tipos de sensores podem variar de acordo com aplicação e o ambiente, como acústicos, sísmico, infravermelho, vídeo-câmera, calor, temperatura e pressão. Os tipos de

26 28 atuadores são tão diversificados quanto os sensores. Em princípio, são dispositivos a serem acionados para executarem uma determinada força de deslocamento ou outra ação, definida pelo sistema controlador por meio de uma ação de controle. Podem ser magnéticos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos ou de acionamento misto (SILVEIRA, 1998). Os transceptores (transmissor/receptor), podem ser bastante simples, com funções de transmissão e recepção de bits individuais para a rede, ou transceptores mais avançados que lidam com tarefas da camada enlace. Isto pode incluir empacotar informações em pacotes e controlar o acesso ao meio e criptografar e descriptografar dados (FANG; LIN, 2006). Similarmente ao microcontrolador, os transdutores podem operar de diferentes modos, o mais simples é ligado/desligado. Para acomadar o baixo consumo total necessário a um nó sensor, os transdutores devem ser mantidos desligados a maior parte do tempo, e só podem ser ligados quando necessário (KARL e WILLING, 2005). A maioria dos transdutores usados em RSSF operam nas faixas de rádio industriais, científicas e médicas chamadas bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical radio bands). As frequências mais comuns são 433 MHz (Europa), 868 MHz (Europa), 915 MHz (EUA e Austrália) e 2,45 GHz (mundial) (SMOLNIKAR et al., 2010) Padronização O processo de padronização no domínio de RSSF é muito ativo nos últimos anos, como resultado é apresentado pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) o padrão IEEE Este padrão especifica a camada física e protocolos da camada enlace do modelo ISO-OSI para redes sem fio pessoais de baixa taxa de dados (LR-WPAN), tendo como alvo aplicações simples de baixo custo. Os dispositivos nesse tipo de rede normalmente têm uma capacidade limitada de comunicação e potência, devendo operar por um longo período de tempo. Logo, consumo de energia é um problema crítico. As camadas de rede e aplicação, a cima das camadas definidas pelo IEEE , são definida pelo Zigbee Alliance. Sua principal contribuição é ter integrado as redes Mesh a

27 29 aplicações IEEE além uma série de tarefas que incluem gestão de pedido para juntar-se a rede, descoberta de dispositivos na rede, segurança entre outros (BURATTI et al., 2009) Aplicações Rede de sensores sem fio tem inspirado diversas aplicações, tais como: monitoramento ambiental, rastramento de alvos, encanamento (água, petróleo, gás), vigilância e monitoramento de integridade estrutural, agricultura de precisão, serviços de saúde, gestão de cadeia de suprimentos, monitoramento de vulcão ativo, transporte, monitoramento de atividade humana e mineração subterrânea entre outras (KARL e WILLING, 2005) Plataformas Há uma centena de nós sensores disponíveis para uso em pesquisa e desenvolvimento em redes de sensores sem fio e comercial. Dependendo dos cenários de aplicação pretendido, é necessário cumprir bem diferentes exigências relativas à duração da bateria, robustez, mecânica, tamanho do nó, e assim por diante. A partir do final da década de 1990, uma família inteira de nós sensores evoluiu a partir de projetos de pesquisa na Universidade da California em Berkeley, em parte, com a colaboração da Intel, ao longo dos anos. Comercializados pela Crossbow Inc. em diferentes versões de kits, Mica, Mica2, Mica2Dot, MicaZ. Todas as versões apresentam um microcontrolador que pertence a família Atmega da Atmel. Além disso é possível conectar placas de sensores adicionais, por exemplo, barométrica ou sensor de umidade (KARL e WILLING, 2005). Na figura 3 é apresentado o Mica2 da Crossbow Inc.

28 30 Figura 3 Mica2 mote da Crossbow Inc. Os nós desenvolvidos pela Infineon, patrocinado pelo projeto Redes de Sensores energeticamente eficientes são outro exemplo de um nó sensor. Com microcontrolador MSP 430 da texas, e um rádio da Infineon TDA5250, juntamente com filtro de onda acústica de superfície (SAW), controle de potência de transmissão e rádio que informa o nível do sinal ao controlador. Este nó sensor ainda tem interface USB para o PC e a possibilidade de adicionar sensores e atuadores (KARL e WILLING, 2005). Figura 4 Nó sensor eyeifxv2 da Infineon (KARL e WILLING, 2005).

29 Desenvolvido pela ETH Zürich, o BtNode dispõe de um microcontrolador Atmel ATmega 128L, com kb de RAM e 128 kb de Flash. Ao contrário da maioria dos outros nós sensores (mais similar a módulos desenvolvido pela Intel), que só utilizam tecnologia Bluetooth, o Btnode combina Bluetooth com o rádio Chipcon CC1000 operando na faixa de frequência entre 433 e 915 MHz. 31 Figura 5 Nó sensor BtNode da ETH Zürich (KARL e WILLING, 2005). O EPOSMote (EPOS, 2014) é um projeto de hardware aberto, desenvolvido pelo Laboratório de Integração Software/Hardware na Universidade Federal de Santa Catarina. Inicialmente o projeto tinha o foco no desenvolvimento de um módulo de rede de sensores sem fio baseado na plataforma ZigBit, com aplicação em agricultura de precisão. A primeira versão foi baseada no modulo MeshNetcs Zigbit MNZB-24-B0, com um microcontrolador AVR 8 bits com comunicação IEEE e alguns sensores como temperatura, umidade etc.. (EPOS, 2014). Na segunda versão do projeto, EPOSMote II, foi desenvolvida uma família de kits modulares pino compatível com a primeira versão. O objetivo principal da segunda versão do projeto é prover uma plataforma de hardware para pesquisas em

30 32 captação de energia, biointegração e sensores baseados em MEMS. O foco principal da plataforma EPOSMote II é a modularização, ou seja, é composto por módulos com funções distintas. A Figura 21 mostra o kit de desenvolvimento que é um pouco maior que uma moeda de 1 Real (FRÖHLICH et al, 2011). Figura 6 EPOSMote II (FRÖHLICH et al, 2011). O hardware é baseado em uma arquitetura de camada composta por um módulo principal, um módulo de sensoriamento e um módulo de energia. A figura 7 apresenta um visão geral da arquitetura do EPOSMote II (FRÖHLICH et al, 2011).

31 33 Figura 7 Visão geral da arquitetura do EPOSMote II (FRÖHLICH et al, 2011). O módulo principal é responsável pelo processamento, armazenamento e comunicação. Composto pelo PiP (Platformin-Package) da Freescale MC13224V, é baseado em ARM7 de 32 bits com 128 KB de Flash e 96 KB de RAM e um transdutor sem fio IEEE , balun integrado para circuito correpondente à antena e amplificador integrado com potência de saída programável na faixa de -30 dbm à 4 dbm. Além do PiP, um oscilador externo de 24 Mhz, também 2 conectores. O menor conector, 6 pinos, para conexão com o modulo de potência em um sistema completo de gerenciamento de energia através do barramento I²C. O maior conector, 32 pinos, para acesso ao ADC, Interfaces de comunicação e GPIO, permitindo

32 34 também conexão com módulos externos sendo interface com sensores e atuadores (EPOS, 2014). O módulo de sensoriamento é composto por sensores de temperatura, acelerômetro, LED, botões e um Micro USB que também pode ser usado como fonte de alimentação. O módulo de energia é responável por gerenciar as fontes de energia que podem ser conectadas ao módulo principal (EPOS, 2014). O Arduino (ARDUINO, 2014), é uma plataforma aberta de hardware e software desenvolvida em 2005 no Interation Institute na Itália. O intuito desta plataforma é ser uma ferramenta simples e fácil tornando-a uma plataforma muito utilizada no desenvolvimento de protóripos funcionais. A plataforma padrão, conforme apresentada na figura 8, é constituída por um microcontrolador ATmega 328 p, além de conectores para as portas do microcontrolador e para conexões externas. O microcontrolador possui porta de entrada e saída digital, portas de comunicação serial, porta de entrada e saída analógicas e PWM entre outras (EUZÉBIO, 2011). Figura 8 Arduino Uno (ARDUINO, 2014) A expansão na plataforma, de modo a torná-la modular, é feita através da utilização de shields. Os shields consistem em placas que podem ser acopladas à plataforma, podendo conter outro dispositovos tais como driver de motores, interfaces WiFi, Ethernet, /Zigbee, sensores de temperatura, umidade etc. O Xbee (DIGI, 2011) é uma família de módulos RF baseados no padrão IEEE desenvolvidos e

33 35 comercializados pela Digi International. A primeira série de módulos foi lançada em 2005, inicialmente operavam em uma taxa de transmissão e recepção de 250 kbits/s na frequência de 2.4Ghz em topologia ponto-a-ponto ou estrela. Já na versão DigiMesh operando também na frequência de 2,4 Ghz, permitiam operar em rede mesh através do protocolo proprietário da Digi. A versão Xbee ZB incorporou o protocolo Zigbee a família de módulos. Os módulos Xbee são alimentados com 3.3 volts de tensão, com comunicação via UART ou SPI (série Xbee 865LP) e possuem interface PWM, A/D e entrada e saída digital (DIGI, 2011). Integrados à plataforma Arduino (ARDUINO, 2014), possibilitam também o desenvolvimento de aplicações rede de sensores sem fio. A figura 9 apresenta o módulo Xbee, com 2,44 cm de comprimento, 3,29 cm de largura e 0,41 cm de altura. Figura 9 Xbee (DIGI, 2011). A tabela 1 apresenta as principais características das plataforama supracitadas.

34 36 Plataforma CPU Potência Memória E/S e sensores Mica2 Atmega128 60mW ativo BtNode Atmega 128L 0.036mW sleep 60mW ativo 0.036mW sleep 4k RAM 128K Flash kB de RAM 128kB Flash Conector para expansão Conector para expansão Rádio 10kbps 38.4kbps eyeifxv2 MSP430 30mW ativo 1mW sleep 128B RAM 60B Flash Sensor de temperatura e Luz, Pinos para atuadores 38.4kbps EPOSMoteII ARM7 75mW ativo Arduino + Xbee Serie 1 Atmega 328p 10,98mW 36mW ativo 0,36mW sleep 96kB RAM 128kB FLASH 2KBytes RAM 32KBytes FLASH Sensor de Temperatura, Sensor Acelerometro, conector para expansão Conector para expansão 250 kbps 250 kbps Tabela 1 Principais características das plataformas RSSF 2.2 SCADA O termo SCADA é o acrônimo em inglês formado pelas primeiras letras de Supervisory Control and Data Acquisition, na automação refere-se a sistemas de supervisão, controle e aquisição de dados composto por um ou mais computadores monitorando e controlando um ou mais processos (VIANNA, 2008). Os processos podem ser industrial, infraestrutura ou facilidades. Processos industriais incluem manufatura, geração de energia, refino de petróleo, hidroelétricas entre outros. Processos de infra-estrutura podem ser públicos ou privados tais

35 37 como: tratamento e distribuição de água, coleta e tratamento de esgoto, linhas de óleo e gás, transmissão e distribuição de energia elétrica entre outros sistemas de comunicação. Processos de facilidades podem ser instalações pública ou privadas, desde: edifícios, aeroportos navios, plataformas offshore, estação espaciais, como de energia e consumo de água (BOYER, 2004) Princípio de Funcionamento Sistemas SCADA são tipicamente compostos por unidade mestre, unidades remotas SCADA, unidades de comunicação e software SCADA. A unidade mestre é a unidade de controle principal, localizada centralmente para uso sob o controle de operadores. A unidade remota é instalada onde o processo está sendo monitorado e coleta os dados necessários. A unidade de comunicação transmite e recebe os dados entre as unidades remotas e a unidade mestre. Os meios de comunicação podem ser cabo, mídia sem fio ou por satélite. O Software é uma interface entre o operador e suas unidades. Ele permite que operador possa analizar, visualizar e controlar as funções do processo (BOYER, 2004) Aplicações As aplicações potenciais do sistema SCADA são diversificadas, até porque muitas indústrias exigem a capacidade de monitoramento e controle abrangente que a tecnologia SCADA oferece. Na maioria das aplicações, SCADA é utilizado para monitorar processos físicos, fabricação e consumo de água. Em ambientes de produção, SCADA é usado para certificar-se de que metas de produtividade sejam cumpridas e todos os sistemas funcionem sem problemas. Em tratamento de efluentes, a conversão de efluentes para água potável pode ser considerada como um outro processo de fabricação. Sensores de fluxo são extremamente comuns em centro de tratamento, assim como sensor de contaminantes (BOYER, 2004).

36 Softwares SCADA Há uma diversificada gama de softwares SCADA no mercado. Atendendo inúmeras e diversificadas aplicações, protocolos, soluções de comunicação e fabricantes de sensores e atuadores. O InduSoft Web Studio (INDUSOFT, 2014), é uma coleção de ferramentas pagas de automação que possibilita o desenvolvimento de aplicações de Interface Homen- Máquina(IHM) e SCADA. Com 3 tipos de visualização para aplicações remotas em servidores, PC e SmartPhones e Tablets. Suporte a mais de 240 drivers dos principais fabricantes de sensores e atuadores. O Avantech WebAcess (ADVANTECH, 2014), é um software IHM/SCADA pago baseado em Web que permite aos usuários controlar remotamente e configurar sistemas SCADA na nuvem ou SCADA Internet das coisas(iot). Com um conjunto integrado de IHMs e ferramentas de automação SCADA apresentando telas de gráficos animados e proteção da propriedade intelectual para o desenvolvimento de IHMs/SCADA e outras aplicações. Com suporte a cliente mobile ios e Android, padrões de programação em linguagens TCL, JScript e VB script, a protocolos OPC, Modbus BACnet e DDE Server. Dentre as opções de software SCADA de código aberto, destacam-se o SCADABr e OpenSCADA. O SCADABr (SCADABR, 2014) é um sistema supervisório disponibilizado em licença Open Source. Com vários casos de uso nas áreas de processos industriais, redes de distribuição de água e energia, automação residencial e predial, aplicações de sensoriamento diversas. O SCADABr possui suporte a mais de 20 protocolos de comunicação, sendo compatível com hardware de centenas de fabricantes. Possui interfaces de operação para o monitoramento das informações e eventos, realização de tarefas a partir de uma IHM construída sobre aplicativos desktop e/ou Web. Sua integração com aplicações clientes se dá através de uma interface entre aplicativos (API) web-service em protocolos simples de acesso a objetos (SOAP), possibilitando assim o uso variado de linguagens, tais como, Java, PHP, Python, C#, VB.Net, Delphi e Ajax.

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