Dispositivos móveis como fornecedores de informação

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1 Dispositivos móveis como fornecedores de informação Arquiteturas de aquisição de dados distribuidos como fornecedoras de informação Autores: Nicolás Guilherme Curti Chiribao - João Cândido Dovicchi Universidade Federal de Florianópolis Departamento de Informática e Estatística Florianópolis SC - Brasil nicolas@inf.ufsc.br Resumo Este trabalho apresenta soluções para telemetria usando dispositivos celulares móveis e tecnologias relacionadas a J2ME e programação destes dispositivos. Apresentamos aqui além de uma introdução teórica, também análise de dois casos práticos onde esta tecnologia pode ser aplicada. No primeiro estudo mostramos o uso de dispositivos móveis para medição de dados em estações meteorológicas. No segundo, mostramos a aplicação da tecnologia na área de medição e leitura de dados em redes de distribuição de gás natural e a viabilidade econômica de sua aplicação. Palavras-chaves: Celular, J2ME, Mobilidade, Telemetria, Viabilidade. 1 Introdução: Sistemas usando dispositivos móveis celulares para comunicação de voz e dados são bastante populares no nosso dia-a-dia e já são usados há algum tempo em aplicações de telemetria, controle, automação e monitoramento de equipamentos e veículos. [Rozas2001] Com a recente e acentuada redução dos custos das tecnologias que fazem uso de dispositivos móveis, a Experimentação Remota e Telemetria se tornam cada dia mais próximas de ser, não apenas tecnicamente, mas financeiramente viáveis em muitas aplicações. O estudo de aplicações de telemetria e monitoramento remoto se faz ainda mais interessante uma vez que podemos imaginar que, com o crescimento da area coberta pelas redes das operadoras de celular, logo não haverá limites geograficos que impeçam a implementação de qualquer tipo de solução de monitoramento a um custo muito baixo. Mostramos aqui que é não apenas possível, mas viável, um dispositivo prover informações em tempo real a um usuário, não importando onde ambos estejam. É possível desta maneira fazer uso da mobilidade e ter independência de posição geográfica tanto para prover como consumir informações em sistemas geograficamente distribuidos. 1.1 Escopo O escopo deste trabalho é o estudo da tecnologia J2ME(TM), incluindo aí as especificações da sua criadora, Sun Microsystems, Inc. Foi estudado a arquitetura e especificações tanto de frameworks disponíveis hoje com a finalidade de facilitar a comunicação entre dispositivos, como dos protocolos envolvidos nestas comunicações. O trabalho envolve a aplicação prática dos conceitos estudados, o que tornou necessária a pesquisa de módulo celular que implementa J2ME(TM) e seja capaz de ser programado e ter embutidos nele os programas e frameworks descritos anteriormente. Tendo em vista sua aplicação no mercado, estudamos também as necessidades de algumas empresas por esta tecnologia, através de dois estudos de caso, estudando as vantagens da aplicação da tecnologia usando modem celular sobre as tecnologias usadas atualmente. 1.2 A necessidade de Mobilidade O principal objetivo das tecnologias sem fio é proporcionar mobilidade. No Brasil em especial, onde temos um país de dimensões continentais, a mobilidade adquire uma importância estratégica para empresas que necessitam ter a sua área de atuação ampliada a uma área geográfica muito grande. É impensável a uma instituição estar presente na extensão de um estado ou país sem ter controle sobre suas filiais, ou sobre seus equipamentos quando estes estão distribuidos em uma area geograficamente ampla. A Mobilidade Corporativa vem com o objetivo de proporcionar o acesso a informações importantes para executivos das empresas a qualquer momento e qualquer lugar. É uma realidade nas grandes empresas no mundo todo, e tem crescido no Brasil graças aos avanços das tecnologias encontradas nos celulares e também à influência das operadoras de telefonia que oferecem seviços e equipamentos a preços cada vez mais compatíveis com a realidade das empresas nacionais.[amorim2005] Infelizmente, é realidade de muitas empresas ainda não ter controle em tempo real sobre suas Fevereiro de /6

2 operações. Isso torna as instituições dependentes de grande contingente de mão de obra e infraestrutura de alto custo em telecomunicações para controle de suas atividades. Muitas vezes estas instituições dependem do deslocamento de pessoal para realizar medições em equipamentos distribuidos, muitas vezes em áreas de difícil acesso, trazendo problemas do genero de atrasos para gerar relatorios até perda e inconsistencia de dados por erros humanos ou de transcrição de leituras. Para estas empresas que dependem da busca de informações em fontes remotas, móveis ou fixas, e geograficamente distribuidas, a Mobilidade Corporativa é uma necessidade crescente. Haver cobertura de sinal na área desejada; 2) Devemos considerar a possibilidade de pequenos atrasos na transmissão de dados; 3) Interrupções de serviço devem ser toleráveis, uma vez que podemos ter periodos de perda de sinal devido a interferências. 2 Materiais e Métodos Os estudos de caso foram desenvolvidos através de estágio do autor em duas empresas com diferentes necessidades. Na primeira desenvolvemos um projeto de integração da comunicação de dados entre estações meteorológicas móveis distribuidas geograficamente pelo estado para captura de informações climaticas e transmissão para a central Ilustração 1: Elementos de uma aplicação de telemetria em Florianópolis, onde os dados são processados e analisados para previsão e estudos Climáticos. 1.3 Telemetria O termo telemetria,que tem origem nos radicais gregos Tele Distância e Metros Medida, é usado há tempo apenas como forma de medição de distâncias entre um observador e um ponto remoto, usando equipamentos conhecidos como Telemetros. Com o avanço tecnológico, o termo telemetria passou a ser empregado sempre que nos referimos a formas de fazer medições à distancia. [Rozas2004]. Existem muitas maneiras de se implantar sistemas de telemetria no mercado, dependendo das necessidades de cada empresa. A base de todo sistema de telemetria está em três elementos fundamentais, conforme Ilustração 1, que são as unidades de medição e leitura junto com as suas interfaces, conhecido também como Elemento de Medição Remota(EMR), redes de comunicação e uma central de monitoramento e gerenciamento. O componente identificado aqui como Rede de Telecomunicações pode ser composto de diversas tecnologias, como transmissão via cabos de dados, linhas discadas através de operadoras de telefonia, comunicação via rádio Frequencia, Celular ou Satélite. Destas Possibilidades, estudamos aqui o meio usando tecnologia de transmissão de dados GPRS sobre Celular GSM. Esta tecnologia pode ser usada para telemetria sempre que observados os seguintes aspectos: 1) No segundo caso, foi desenvolvido um projeto de leitura de dados em redes de distribuição de gás natural, cuja atuação se dá sobre todo o litoral do estado. Os pontos medidos tanto são fixos, como no caso de potos de entrega de gás, como podem ser móveis, como no caso de kits de medição das condições da rede que são instalados em pontos específicos de tempos em tempos para analise das condições físicas do trecho desejado. O estudo destes casos através do estágio nas empresas permitiu que fosse feita uma análise mas apurada do dia a dia da operação das mesmas, e consequentemente, das suas necessidades reais. Partindo da Abordagem de Amorim[AMORIM2005], em ambos casos foram implementados projetopiloto, que produziram resultados analisados conforme a necessidade de cada um. Esta seria a etapa de montagem de um projeto piloto na empresa, para a substituição de um processo tradicional por um processo que usa dispositivos móveis. Uma vez realizada esta etapa de prototipação, podemos partir para a substituição de diversos processos por processos que fazem uso de mobilidade, para a partir daí, dar espaço à criação de novos processos e otimização de operações, que seriam inviáveis sem o uso da mobilidade proporcionada pela comunicação GPRS. Fevereiro de /6

3 3 Caso 1: Comunicação entre estações meteorológicas Foi realizado estudo de caso através de projeto de estágio do autor na EPAGRI/CIRAM Empresa de pesquisa agropecuária e extensão rural de SC / Centro de Informações de Recursos Ambientais e de Hidrometeorologia. 3.1 Objetivo O objetivo foi a implementação de uma interface de comunicação via rede celular com estações meteorológicas da empresa para coleta de dados como temperatura, pressão atmosferica, pluviometria, velocidade do vento, etc. Estas estações podem ser portáteis e distribuídas por uma extensa área do estado, muitas vezes não permitindo uma fácil aquisição e coleta dos dados registrados nas estações. A comunicação destes dados via celular foi a alternativa escolhida, pela ampla cobertura da rede celular GSM no estado. O estado de Santa Catarina é atendido hoje por três operadoras de celular usando a tecnologia GSM/GPRS que atendem praticamente todas as cidades do estado [TIMSUL] [CLARO] [BRTCEL]. Também foram decisivos o baixo custo de aquisição, transmissão de dados e consumo de energia do equipamento celular, que permite que o Kit de medição de condições climáticas seja transportado para as regiões do estado onde sejam necessárias, conforme a epoca do ano e objetivos de pesquisa da instiruição. 3.2 Proposta No trabalho foi realizado o estudo e desenvolvimento de aplicações em J2ME(TM) para programação de módulo celular Siemens TC45. O módulo TC45 consiste num micro-controlador que roda Java(tm) J2ME(TM), acoplado a um modem GSM/GPRS e a uma saída serial para acoplar outros equipamentos de medição ou telemetria. A grande vantagem do uso deste módulo em detrimento de outras arquiteturas de Hardware, foi a facilidade de programação do mesmo. O módulo pode ser programado usando uma linguagem de alto nivel orientada a objetos que é executada sobre um microcontrolador de alta capacidade de processamento e memória (considerando um dispositivo móvel). Este equipamento foi escolhido como referencia pela sua capacidade de rodar aplicativos J2ME(TM) CLDC1.0 e MIDP 1.0, bem como por seu tamanho compacto e possibilidades de comunicação entre o modulo e uma porta serial RS-232 padrão. O módulo também tem a opção de uso de pinos de entrada e saída de dados digitais GPIO(Generic Purpouse I/O). Estas duas opções permitem que o equipamento se comunique de maneira eficaz com a maioria dos instrumentos de medição e automação existentes no mercado, sem a necessidade de implementações complexas de interfaces entre os equipamentos. Tecnologias alternativas sugerem o uso de microcontroladores acoplados a modens celulares[boquete2003], o que exigiria a programação do microcontrolador em uma linguagem de mais baixo nivel para ler os dados das entradas A/D e fazer todo o controle de conexão e transmissão de dados com o modem celular através de comandos AT. O uso de linguagem de alto nivel, orientada a objetos e popular entre programadores permite a redução de custo de projeto, teste, implementação de prototipo e manutenção do sistema pela facilidade de encontrar mão de obra capaz de realizar estas tarefas. Na aplicaçao desenvolvida neste projeto, usamos a comunicação com a porta serial RS-232 para adquirir os dados de um datalogger que já estava programado para a aplicação, que fez a interface e conversão dos sinais analógicos para dados numéricos. Usando as APIs do equipamento, foi possível programá-lo para fazer a interface entre o equipamento de medição que adquire os dados lidos por sensores analógicos através de uma interface serial RS-232, e transmitir para o servidor usando uma conexão HTTP sobre GPRS. Poderia também ter sido usado uma conexão discada, ou mensagem SMS caso quisessemos redundância na transmissão dos dados em operações mais criticas. 3.3 Arquitetura Com a proposta sugerida temos no servidor um espelhamento da última informação lida no equipamento de coleta de dados. Este sistema pode ser configurado para enviar informações ao servidor em frequencias de tempo de poucos segundos até algumas horas. Conforme for necessario ter uma taxa de atualizaçao maior ou menor, podemos configurar o sistema para ficar mais proximo de uma aplicação real-time. Analisando o custo/beneficio de ter uma taxa de atualização mais frequente, foi feita a opção por uma taxa de atualização de 10 em 10 minutos. Assim temos uma base de dados sempre atualizada e com uma quantidade de informação suficiente para aplicar analises usando redes neurais, sem ter um grande custo com transmissão de dados, uma vez que a tarifação do trafego de dados http sobre GPRS se dá por volume de dados transmitido. Na Ilustração 2 podemos ver o modulo TC45 fazendo a aquisição dos dados do instrumental instalado na estação meteorológica, e transmitindo os mesmos para o servidor, através da rede GSM/GPRS da operadora celular. No servidor estes Fevereiro de /6

4 Ilustração 2: Arquitetura do sistema de aquisição de dados remoto dados ficam armazenados em uma base de dados, para servir de fonte de informação para o site da instituição, sistemas internos, ou redes neurais de previsão e analise de padrões climáticos. 3.4 Resultados Após os testes do protótipo, foi medido o consumo de creditos do celular usado, e feita uma média de consumo por transmissão dos dados lidos pela estação, através da qual obtivemos os seguintes resultados: Estes resultados foram obtidos em transmissões realizadas durante dois dias seguidos, entre 09/11/2005 a 11/11/2005 em que foram feitas transmissões de leituras a cada dez minutos, totalizando cerca de 300 transmissões no total. Media de caracteres por transmissão 158,98 Caracteres transmitidos Custo total de transmissão R$ 3,45 Numero de transmissões 275 Custo por transmissão R$ 0,01255 Custo diario (transmite a cada 10 minutos) R$ 1,81 Custo por byte(caracter ASC) R$ 0,00008 Custo por Kbyte R$ 0,08081 Tabela 1: Transmissões de dados medidos Analisando os resultados, segundo a tabela 1 observamos que para a transmissão de linhas de dados de cerca de 160 caracteres ASCII, temos um custo de cerca de R$0,01(hum centavo) por transmissão por estação remota. Devemos recordar aqui que foi usado para esta anaise um chip GSM com plano pré-pago, que tem a tarifa mais alta para transmissão de dados do que um plano empresarial. Um detalhe importante na instalação do ambiente de desenvolvimento e merecedor de critica, é o fato de os pacotes serem construidos para rodar automaticamente em apenas um ambiente de desenvolvimento. Várias tentativas foram feitas para descobrir como desenvolver os aplicativos para o modulo em uma outra IDE, como Netbeans ou Eclipse, mas todas as tentativas acusavam falta de bibliotecas necessárias para a compilação do codigo fonte. 4 Caso 2: Medição de Leituras de distribuição de Gás Natural Durante o primeiro semestre de 2006, um estágio na área de Sistemas de Informação permitiu um segundo estudo de caso para este trabalho. O estágio se desenvolveu na Companhia de Gás Natural do Estado de Santa Catarina SCGás. Durante o periodo de estudo na empresa, foi possivel analisar na pratica os sistemas de aquisição de dados remotos existentes usando acesso discado e fazer uma comparação com uma proposta paralela usando tecnologia celular baseada em GSM/GPRS. 4.1 Objetivos do estudo O objetivo do estudo foi elaborar uma proposta para tornar mais rápida, eficiente, confiável e barata a comunicação de dados entre os módulos de medição remotos das estações de gás da SCGás e o sistema supervisório que busca e armazena estes dados na sede da companhia. Como resultado, pudemos fazer uma comparação prática entre as soluções de telemetria usando acesso discado e comunicação de dados via GPRS. 4.2 Panorama encontrado No inicio do estudo, a comunicação entre o sistema supervisório da rede e os módulos de medição ocorre por acesso discado a computadores de vazão ou leituras manuais dos medidores. Usando o sistema de coleta de informações por Acesso discado, a central na Empresa disca para as estações monitoradas para coleta de dados, ou recebe ligações dos computadores de vazão quando existe uma ocorrencia de alarme. O acesso discado por linhas telefônicas traz um enorme inconveniente de demora na comunicação e um custo muito alto com ligações interurbanas, além de Fevereiro de /6

5 trazer consigo o problema de ruídos na comunicação e altos custos de manutenção de equipamentos queimados por descargas elétricas. Uma grande parte do parque de medidores instalado ainda tem suas informações coletadas por leituras manuais. Estas além de exigirem recursos humanos para realizar a leitura, trazem também a inconveniência de erros de leitura ou atrasos nas medições. As leituras são realizadas duas vezes por mês e exigem um dia inteiro de dedicação do setor de gerencia de operações e técnicos terceirizados para realizar a visita a cada cliente no estado. 4.3 Solução usando Celular como meio de aquisição de dados No estudo foi realizada uma pesquisa no mercado para a aquisição de uma solução que viesse a reduzir os custos da empresa e aumentar a sua eficiencia e eficacia nas mdições de consumo de Gás natural por seus clientes. A telemetria usando modem celular acoplado aos medidores mostrou ser uma solução viável sob os pontos de vista técnico e financeiro. O investimento inicial para a implantação desta arquitetura é maior que a solução discada usada hoje, mas o custo de manutenção subsequente é mínimo. 4.4 Vantagens da telemetria usando solução GPRS Redução dos custos mensais com manutenção de Linha telefonica: O custo mensal de manutenção de uma linha telefonica consiste em no mínimo R$ 40,00 de assinatura básica por linha. Usando uma solução de tráfego de dados por GPRS não existe taxa de assinatura básica. A linha pode ser pré-paga ou seu custo diluido no plano empresarial da empresa.[timsul] Redução dos custos de queima de equipamentos por surtos em linhas telefonicas causadas por raios: No ano de 2005 foram registradas a perda total ou parcial de cerca de dez computadores de vazão por motivo de descargas eletricas que geram surtos em linhas telefonicas, mesmo com o uso de aterramento e estrutura de prevenção de surtos recomendada. Orçamentos do fabricante do equipameto para o conserto destes equipamentos variam entre R$ 5.000,00 a R$ ,00 por unidade. A troca do acesso discado por uma solução que usa modem celular, o risco de queima de equipamentos é virtualmente descartado, uma vez que sua alimentação eletrica se dá na maior parte dos casos por painéis solares e bateria. Redução dos gastos com pessoal para leituras manuais: Cerca de 40 clientes da companhia tem instalado equipamentos medidores chamados corretores de volume, que são medidores digitais que podem ter seus dados lidos pela porta serial. Segundo levantamentos na empresa, são gastos hoje cerca de R$ ,00 em horas técnicas de pessoal para fazer as leituras manuais duas vezes ao mês. Soma-se a esse valor cerca de R$ 1.400,00 pagos apenas com combustivel para deslocamento do pessoal nestes dois dias. 4.5 Retorno sobre Investimento Um levantamento inicial sobre investimento para uma solução de telemetria indica que seriam necessários investimentos da ordem de R$8.000,00 a R$10.000,00 por ponto de medição para os equipamentos Computador de vazão da marca Floboss e corretores de volume da marca Elster. Para o calculo de Retorno sobre investimento, foram considerados como parametro de referencia os valores gastos hoje com a telemetria usando acesso discado e o deslocamento de pessoal para medições manuais. No caso da telemetria por acesso discado o valor de referencia se compõe de gastos com conta de telefone(r$ 6.000,00 por mês) para medições mais as perdas com queima de equipamento por surto na linha telefonica no ultimo ano(10) multipicado pelo valor do orçamento de conserto de um equipamento(+- R$ ,00). Estes valores todos são diluidos pelo numero de equipamentos(55) em um ano(12 meses). O resultado é um custo de referência mensal de pouco mais de 260 reais por equipamento, em comparação com um custo previsto aproximado de manutenção de R$ 10,00 ao mês usando a solução celular com GPRS. (R$6.000,00/55 equipamentos)+(r$10.000,00*10 equipamentos queimados/55 equipamentos/12 meses)=r$260,61 No caso da implantação de telemetria com celular em comparação com as leituras manuais, foi usado como constituinte do valor de referencia o custo de pessoal e deslocamento para leituras usado nos dias de medição de faturamento. Esse custo de pessoal é dividido pelo numero de 38 equipamentos instalados no dia das leituras. O valor final resulta em um custo mensal por equipamento de R$ 316,25. Considerando os custos de Manutenção do sistema de telemetria discado, e de deslocamento e mão de obra para leituras manuais em comparação com a solução usando telemetria por celular/gprs, temos tempo de retorno de investimento de cerca de trinta meses. Fevereiro de /6

6 4.6 Vantagens não contabilizadas da telemetria Além da vantagem econômica da adoção da telemetria, ainda temos muitas outras vantagens que são dificeis de mensurar em termos de valor economico. São elas: Rapidez e confiabilidade das leituras; Possibilidade de relatórios de consumo com maior freqüência e de fornecimento de descontos por consumo em horários menos críticos. Redução do desgaste de equipe de Gerencia de Operação com erros e demoras nas leituras. Possibilidade de gestão em tempo real da rede de distribuição; Detecção de problemas e alarmes além de predição de falhas; Integração e uso do sistema supervisório da empresa com suas funcionalidades. 5 Conclusões do trabalho: Concluímos que o projeto foi válido e produtivo no quesito do conhecimento e desenvolvimento das aplicações que foram propostas. Equipamentos e tecnologias de transmissão de dados e telemetria por celular foram estudados, bem como necessidades de negócios na área, e desse estudo surgiram muitas propostas e idéias novas. A implementação do sistema e da arquitetura proposta no primeiro estudo de caso resultaram em um protótipo funcional, que tem todas as condições de se transformar em um protótipo de campo, o que é um resultado positivo deste trabalho. Partindo da avaliação das tecnologias comparadas no segundo estudo de caso, a telemetria usando celular, tornando dispositivos móveis fornecedores de informação, é uma realidade viável hoje no Brasil, e uma opção muito superior às suas opções tradicionais já consolidadas no mercado. Além do custo da transmissão de dados, os custos de manutenção dos módulos celulares e equipamentos de telemetria acoplados a eles são muito reduzidos, uma vez que não há custo de cabeamento de linhas no momento da instalação, nem tampouco o custo de manutenção por surtos eletricos nas linhas telefônicas, que são comuns nas soluções que usam tecnologia PSTN. Há no mercado nacional bons fornecedores de equipamentos e uma vontade muito grande dentro do meio academico e empresarial em se adotar este tipo de tecnologia, não apenas para a substituição de antigos sistemas, como para a propulsão de novos negócios. A vontade de inovar a área de transmissão de dados por celular se extende também às operadoras de celular, que apesar de pouco preparadas para fornecer o suporte necessário aos desenvolvedores, já contam com a tecnologia necessária para atendê-los, e se apresentam com muita disposição para apoiar iniciativas de inovação ao perceber o potencial deste mercado. 6 Referências Bibliográficas: Revista Gás Brasil [Rozas2001]Rozas, Norberto Artigo Sistemas de medição à distancia Revista Gás Brasil 05/09/2001 [Rozas2004]Rozas,Norberto Artigo "O que é Telemetria" Revista Gás Brasil 22/11/2004 [IDG2006] Moreira, Daniela - repórter - Artigo: Smartphones levam produtividade e convergência ao mundo corporativo - Publicada em 08 de agosto de /idgnoticia [Amorim2005] Amorim, Andrea Rodrigues de TCC: Desenvolvimento de aplicações móveis com J2ME(TM); [orientada por] Karen Selbach Borges. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Sistemas de Informação). Universidade Luterana do Brasil, Canoas: novembro de [TIMSUL] Site da operadora TIM ultima visita em 29/10/2006 [CLARO] Site da operadora Claro ultima visita em 29/10/2006 [BRTCEL] Site da operadora Brasil Telecom Celulares - me/mostrarhome.do ultima visita em 29/10/2006 [BOQUETE2003] Boquete, I. Bravo, R. Barea and M. A. García - Telemetry and control system with GSM communications ARTICLE - Microprocessors and Microsystems, Volume 27, Issue 1, 1 February 2003, Pages 1-8 L. Fevereiro de /6