Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas

Transcrição

1 Engenharia Electrotécnica e Ramo Electrónica e Sistema Distribuído de Medição de Grandezas Realizado por: Nuno Camilo nº Isaac Correia nº Com a orientação do: Professor António Abreu Novembro 2007 Diapositivo 1 de 23

2 Resumo Introdução Apresentação do sistema Software Hardware Rede Wireless Segurança Tramas de comunicação Testes realizados Conclusões Futuros desenvolvimentos Diapositivo 2 de 23

3 Introdução Motivação A necessidade de controlo e monitorização de dispositivos e grandezas físicas, em edifícios. Objectivo Desenvolver um sistema que permita a transmissão sem fios da informação de controlo e monitorização de vários dispositivos, estando estes localizados nas divisões de uma habitação. Criar uma base de dados para armazenamento da informação gerada no sistema. Desenvolver uma aplicação WEB para visualizar a informação gerada. Diapositivo 3 de 23

4 Apresentação do Sistema Módulos Slave Microcontrolad or Módulo Wireless Módulo Central Microcontrolad or Módulo Wireless Cartão memória Ligação USB PC / Servidor Base de dados Aplicação Windows Aplicação WEB Diapositivo 4 de 23

5 Software Base de dados Aplicação Windows Diapositivo 5 de 23 Aplicação WEB

6 Software - Base de Dados Objectivos Guardar os dados recolhidos pelos diversos módulos slave Estruturar e relacionar os dados armazenados Facilitar o processo de consulta da informação Segurança da informação Ferramenta de desenvolvimento: ORACLE Razões da escolha: Distribuição gratuita para particulares. Ferramentas de apoio ao desenvolvimento Processo de desenvolvimento: Diapositivo 6 de 23 Análise requisitos Diagrama entidade-relação Diagrama relacional Scripts de criação da base dados

7 Software - Base de Dados Diagrama relacional: Diapositivo 7 de 23

8 Software - Aplicação Windows Objectivos: Estabelecer a comunicação entre o módulo central e a base de dados. Permitir a visualização de informações adicionais: Configurações da ligação USB Informação do cartão memória Informação sobre os dispositivos activos na rede Ferramenta de desenvolvimento: Visual Basic.NET Diapositivo 8 de 23

9 Software - Aplicação Windows Configurações USB Teste Conexão Teste Comunicação Cartão Memória Diapositivo 9 de 23 Formatação Cartão Espaço Ocupado Espaço Disponível Espaço Total

10 Software - Aplicação Windows Rede Listagem módulos slave activos da red Informações de cada módulo Transferência de dados Diapositivo 10 de 23 Recepção de dados do módulo central Envio para a base de dados Listagem dos dados recebidos Adição de novos módulos na base dad Garantia da integridade dos dados

11 Software - Aplicação WEB Acesso a aplicação WEB O acesso é restrito a utilizadores autenticados Permite vários utilizadores Segurança: Microsoft SQL Server Ferramenta Desenvolvimento: ASP.NET (Script: VB.NET) Acesso Base de dados: SQL Publicação da aplicação WEB: Diapositivo 11 de 23 Internet Security Service (ISS)

12 Software - Aplicação WEB Selecção da divisão Para seleccionar a divisão, pressionar sobre a imagem da divisão pretendida Acesso as informações da divisão seleccionada Informação dos módulos associados Hierarquia da informação: Divisão Módulos Grandezas, Anomalias e Comando Diapositivo 12 de 23

13 Software - Aplicação WEB Estatísticas dos dados recebidos Diapositivo 13 de 23

14 Hardware Microcontrolador Cartão Memória Diapositivo 14 de 23 Xbee

15 Hardware Objectivos: Microcontrolador Gerir e controlar comunicação na rede Gerir a comunicação USB entre o módulo central e o PC Requisitos: Interface USB Interface Série para comunicar com Xbee Interface SPI para comunicar com cartão de memória e LCD Tensões de alimentação de 3,3Volt Disponibilidade de memória RAM (minímo 2KB) Microcontroladores utilizados: PIC18F2550 (Módulo central) PIC18F2455 (Módulos slave) Linguagem de programação: C (CCS) Diapositivo 15 de 23

16 Hardware - Cartão Memória Objectivo: Armazenar temporariamente os dados adquiridos pelos módulos slave Vantagens: Baixo custo por bit. Espaço disponível pode ascender a 4GB. Facilidade de substituição Facilidade de comunicação (SPI) Diapositivo 16 de 23

17 Hardware - Xbee Objectivos: Eliminar o uso de cabos Estabelecer a ligação entre módulos da rede Características: Flexibilidade Substituição simples Mobilidade IEEE XBee Alcance Interior Alcance Exterior Consumo Energia Potência do sinal Sensibilidade do receptor Modo sleep Frequência rádio Taxa de transferência Diapositivo 17 de 23 XBeePRO 30m 100m TX: 45mA / RX: 50mA (3.3V) 1 mw -92dBm 100m 1500m TX: 215mA / RX: 55mA (3.3V) 100mW -100dBm 10µA 2.4GHz 250 Kbps 10µA 2.4GHz 250Kbps

18 Rede Wireless Topologia de rede Módulo master Diapositivo 18 de 23 Módulo slave

19 Rede Wireless Topologia de rede Topologia implementada: Estrela Características: Simples de implementar Fácil de gerir Coordinator (master) assume controlo na comunicação da rede End-Device (slave) apenas comunica com o coordenador Diapositivo 19 de 23

20 Rede Wireless módulos da rede Tipos: Módulo master Módulo slave Características comuns: Nome de identificação Número de série Endereço de origem Diapositivo 20 de 23

21 Rede Wireless Módulo Master Características: Módulo central da rede Faz pedidos de amostras e anomalias aos módulos slave Guarda informação recebida dos módulos slave Comunica com o computador pessoal Módulo autónomo, não necessita de ligação permanente ao PC Permite guardar em RAM configurações de 8 módulos slave activos na rede Faz um varrimento aos módulos encontrados em busca de dados Diapositivo 21 de 23

22 Rede Wireless Módulo slave Características: Módulo secundário da rede Apenas responde se o módulo master perguntar Necessita de um dispositivo que lhe forneça energia e os dados Permite guardar em RAM configurações de 32 módulos activos na rede Atribui a si próprio um nome de identificação Quando o módulo master é encontrado é actualizado o endereço de destino Caso o módulo master não seja encontrado, os módulos slave s entram em modo sleep Diapositivo 22 de 23

23 Segurança Encriptação de dados Diapositivo 23 de 23 Integridade dos dados

24 Segurança Encriptação de dados: A encriptação é feita pelo módulo Xbee usando uma chave de encriptação previamente configurada. O sistema de encriptação utilizado pelo XBee é o AES (Advanced Encryption Standard) de 128 bits A chave de encriptação é comum a todos os módulos da rede Integridade dos dados: O sistema de tramas implementado garante que os dados enviados só serão apagados após confirmação de recepção e armazenamento Diapositivo 24 de 23

25 Tramas de comunicação Diapositivo 25 de 23 Tramas das amostras Tramas das anomalias

26 Tramas de comunicação Amostras Pedido de amostras Trama resposta Confirmação Tipo Confirmação Byte Descrição ACK 0xF 0 Dados recebidos, válidos e gravados ERROR 0xF 1 Dados recebidos, mas inválidos BREAK 0xF 2 Dados recebidos, válidos, erro ao gravar Diapositivo 26 de 23

27 Tramas de comunicação Anomalias Pedido de anomalias Trama resposta Confirmação Tipo Confirmação Byte Descrição ACK 0xF 0 Dados recebidos, válidos e gravados ERROR 0xF 1 Dados recebidos, mas inválidos BREAK 0xF 2 Dados recebidos, válidos, erro ao gravar Diapositivo 27 de 23

28 Testes Realizados Cartão memória Diapositivo 28 de 23 Rede wireless Simulação de amostras

29 Testes Realizados Cartão de memória: Foi feito um teste da capacidade onde se concluiu que um cartão de memória de 256MB teria uma duração de aproximadamente 3470 dias, gravando 2304 amostras diárias. Rede wireless: Foram realizados alguns testes simulando possiveis intrusões na rede, usando módulos externos configurados no mesmo canal e na mesma PAN. Simulação de amostras: Dado que o módulo slave apenas permite o envio de amostras e não contempla a sua medição, foi necessário implementar um sistema de geração de amostras aleatórias. Diapositivo 29 de 23

30 Conclusões Devido á escassez de tempo e porque o sistema desenvolvido é um sistema que armazena informação recolhida ao longo do tempo, não houve possibilidade de se fazerem testes a longo prazo aos dispositivos de rede e á aplicação Este projecto constituiu um bom desafio ás nossas capacidades intelectuais e de trabalho conjunto, tendo em conta a variedade de conhecimentos adquiridos e tecnologias utilizadas, quer a nivel de hardware e software Chegada a esta fase e tendo em consideração as possíveis melhorias, julga-se que este projecto poderia passar de um trabalho académico e de investigação para uma produto comercial Diapositivo 30 de 23

31 Futuros desenvolvimentos Desenvolver os módulos de medição de grandezas. Alterar a topologia de rede em utilização, para uma topologia mesh, tendo como principal vantagem a expansão da rede, tendo em vista um aumento significativo no seu raio de alcance. Acrescentar á aplicação a funcionalidade de modificação de parâmetros da rede. Como por exemplo: poder através da aplicação alterar os tempos de aquisição de dados (sleep/standby). Efectuar uma melhoria significativa no sistema de estatísticas, de modo a permitir consultas mais detalhadas. Acrescentar funcionalidades de comando e controlo aos módulos da rede. Diapositivo 31 de 23