TÍTULO DO PROJETO: Aplicação de redes Zigbee em aplicações industriais. Área do Conhecimento (Tabela do CNPq):

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1 INSTITUCIONAL/IFSP PROJETO DE PESQUISA TÍTULO DO PROJETO: Aplicação de redes Zigbee em aplicações industriais. Área do Conhecimento (Tabela do CNPq): RESUMO A complexidade dos sistemas de automação e a necessidade de informações de processo de áreas remotas têm exigido das empresas um grande esforço para a telemetria das variáveis. Diversas ofertas de tecnologias para telemetria dos sinais de processo o protocolo ZigBee é forte candidato para atendimento das demandas com baixo custo. Nesse projeto de iniciação cientifica pretende- se estudar a tecnologia ZigBee para informações industriais. Esta tecnologia foi desenvolvida pela norma IEEE em conjunto com a ZigBee Alliance para a transmissão e controle de dados sem fio por uma rede de baixo consumo. Apesar de recente, esta tecnologia possui ampla área de atuação, o que permite exploração do docente em possíveis aplicações e até mesmo soluções para problemas encontrados em ambientes industriais. Este projeto está correlacionado com outros projetos e iniciativas da instituição. Este projeto está correlacionado com outros projetos e pesquisas do instituto. Os resultados deste projeto devem ser disponibilizados a comunidade em apostila, palestras, congressos e outros meios permitindo a democratização do conhecimento. Apesar da correlação deste com outros projetos e iniciativas da instituição é certo afirmar que este trabalho pode seguir de forma independente sem prejuízo de suas entregas. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Assim como Ergen (2004) sugere na introdução de seu texto, que as redes de comunicação evoluem naturalmente, quebrando dificuldades, e expandindo seu alcance tecnológico. Dessa forma, a transmissão de dados cabeada também sofreu suas alterações, visto que se tornava inviável quando havia obstáculos entre os dispositivos ou quando se tratava de questões de mobilidade desses dispositivos. Para sanar esses e outros mais déficits da rede cabeada, foram criadas as redes de comunicação sem fio, onde os dados são transmitidos por equipamentos de radiofrequência ou via infravermelho. Essa possibilidade de transmissão de dados sem fio revolucionou a comunicação entre dispositivos, incluindo entre sensores, o que contribuiu para avanços industriais. Segundo Leker et al (2012) as Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) surgiram dessa evolução, visando eliminar um conjunto especifico de problemas relacionados a utilização dos cabos na transmissão, problemas estes como custos com o

2 cabeamento, dificuldade na instalação e a pouca mobilidade que tornava o projeto de rede cabeado fixo, dificultando modificações na rede, como por exemplo uma expansão. Graças a essa versatilidade das RSSF, é possível haver o monitoramento e até mesmo controle de variáveis como temperatura, nível, vazão, entre outras variáveis presentes nos processos industriais sem que haja a necessidade desses dados serem transmitidas por cabos ou pelo ir e vir de operários até o processo em questão. (LEKER et al, 2012). Apesar dessas vantagens citadas, as RSSF apresentam limitações em relação às redes cabeadas, como a maior sensibilidade a ruídos e interferências externas, velocidade de transmissão de dados um pouco inferior a cabeada, o que não costuma ser prejudicial na maioria dos casos, custo elevado de seus dispositivos. Dentre as tecnologias populares utilizadas na transmissão de dados sem fio, estão a Wi- Fi, Bluetooth e ZigBee, nos últimos anos o terceiro padrão tem crescido e se tornado dominante devido a sua maior flexibilidade, estrutura de suas topologias, preço baixo e recentemente tem ampliado o alcance de sua transmissão para mais de 1600 metros (WATTAHANAWISUTH et al, 2009). A rede ZigBee conta com certa preferência sobre as outras tecnologias em função das características definidas pelo padrão IEEE em conjunto com a ZigBee Alliance, que criaram a tecnologia ZigBee com o intuito de disponibilizar uma rede que operasse com extrema baixa potência em relação aos outros protocolos de rede sem fio (RUA et al). O padrão IEE ficou responsável pelas duas camadas baixas da tecnologia: a camada física (PHY), onde estão definidas as modulações; e a de acesso ao meio (MAC) responsável por receber e preparar os dados para a transmissão pelos canais de radiofrequência, essa camada possui dois modos de operação, o beaconing e o non-beaconing. (RUA et al). Segundo Vasquez et al, a operação no modo beaconing faz com que os nós da rede transmitem informação periodicamente, beacon frames, para confirmar sua presença na rede a outros nós da mesma, permitindo que esses nós se mantenham inativos entre esses sinais de beacon frames, o que proporciona a vantagem do sistema no quesito consumo de energia. (VASQUES et al 2010). O padrão IEE também ficou responsável por definir as bandas de frequência de operação da tecnologia, que se resume em 2.4 GHz (utilização global), 915 MHz (só nos Estados Unidos) e 868 MHz (só na Europa). Já a ZigBee Alliance, ficou responsável pelas camadas superiores, de rede e suporte à aplicação do modelo OSI, e ainda pelo serviço de segurança entre ambas. Para isso, existem três tipos de modos de operação criados pela ZigBee: ZigBeecoordinator (ZC), ZigBeerouter (ZR) e ZigBeeendpoint (ZED). O padrão IEEE define para as redes ZigBee, dois tipos de dispositivos: os de função reduzida (RFD - Reduced Function Device) que operam apenas como fim de curso, e os de função completa (FFD - Full Function Device) que podem se comunicar em qualquer um dos modos de operação. (VASQUES et al, 2010)

3 Assim como Leker et al (2012) conclui em seu projeto, a utilização das redes ZigBee são recentes, ou seja, sua tecnologia ainda está em desenvolvimento, e apesar de seu protocolo ser pouco documentado, existem muitas aplicações nas quais o baixo consumo das redes ZigBee é viável, o que torna o seu uso interessante e valioso para contribuição acadêmica. 3. OBJETIVOS Objetivo geral: Investigação das possibilidades de aplicações do ZigBee no âmbito industrial apurando as dimensões de confiabilidade, robustez, disponibilidade de recursos consolidados. Objetivos específicos: a. Caracterizar o ZigBee para as aplicações industriais; b. Apurar a robustez e dispositivos disponíveis para o ambiente industrial; c. Contribuir com material cientifico para um aperfeiçoamento do uso da tecnologia ZigBee em RSSF; d. Disponibilizar material organizado sobre aplicações da tecnologia ZigBee em RSSF; e. Disseminação do conhecimento no Campus (docentes e discentes); f. Complementar trabalhos anteriores realizados para a seleção multicritérios.. 4. MATERIAIS E MÉTODOS O protocolo ZigBee é uma tecnologia recente, não muito documentada, e que se encaixa perfeitamente na aplicação em RSSF que possuem como requisito, baixo consumo e otimização da duração de suas baterias. Porém ela não se restringe somente a aplicações desse tipo. Por ser uma rede de transmissão sem fio de baixo consumo, suas aplicações são viáveis em diversos projetos de automação: médica, cientifica, domótica, industrial, entre outras. Este projeto está correlacionado com outros projetos do Câmpus, mas este em especial pode seguir de forma apartada sem ter o desempenho comprometido em função do não andamento dos demais. Contamos com materiais para elaborar os cenários para testes pontuais da tecnologia ZigBee (instrumentação de campo, placas transmissoras e receptoras, osciloscópios digitais, geradores de funções e demais equipamentos). Todo o material necessário está disponível na instituição e não teremos dificuldades em realizar as atividades previstas. Para o alcance dos objetivos citados, será necessário um estudo mais aprofundado das características dessa tecnologia, com pesquisas de aplicações já existentes, e desenvolvimento de testes em diversos ambientes para compreender e avaliar possíveis implementações e o funcionamento prático da tecnologia.

4 Para o teste das técnicas e verificação de seus resultados será realizado um ensaio para a classificação e seleção dos cenários de transmissão de dados. Para a aplicação do método será elaborado um questionário para que as necessidades do estudo possam ser capturadas sem interferência do pesquisador. As premissas que estimamos capturar são: pleno funcionamento do aparelho, capacidade de transmissão, reconstrução da informação transmitida e preço de mercado. Através dos dados recolhidos dos cenários ensaiados será possível estimar critérios para aplicação das metodologias, conforme premissas listadas por Lima Junior e Carpinetti (2015), que afirmam que todos os critérios devem ser: Consistentes com as metas e objetivos da organização; Precisos; Possuírem nomes específicos; Calculados a partir dos atributos pertinentes; Universais e comparáveis a partir das condições de operação. Após a definição e apuração dos critérios será possível atribuir pesos para cada uma das dimensões e considerar a contribuição da característica para o atendimento das premissas definidas junto ao cliente no início do estudo. Parâmetros como a latência, o software, o consumo de energia e o alcance da transmissão também serão estudados e analisados tanto na teoria quanto na prática, por meio de pesquisas e testes complementares. 5. PLANO DE TRABALHO Tabela 5.1 Metas estabelecidas para a pesquisa. METAS DESCRIÇÃO 1 Pesquisa bibliográfica e levantamento de trabalhos similares 2 Estudo das características físicas dos módulos ZigBee 3 Estudo do software XCTU e pesquisa de outros que convenham a ser utilizados 4 Aquisição dos recursos necessários para testes e início de testes de comunicação primaria entre os módulos 5 Relatório Parcial entregue- até 15/07/15 6 Estudo da programação dos módulos ZigBee e (de) dispositivos a serem utilizados como exemplo de processos industriais 7 Elaboração de roteiros para testes de comunicação entre os módulos, dispositivos e software 8 Explorar parâmetros e possibilidades de aplicação da tecnologia ZigBee na indústria 9 Realizar experiências testando a viabilidade das aplicações do ZigBee na indústria. 10 Relatório Final entregue até 30/11/2015

5 Tabela 5.2 Cronograma proposta para cumprimento das metas. MESES METAS MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV 1 X X 2 X X 3 X X 4 X X 5 X X 6 X X X 7 X X 8 X X X 9 X X X 10 X X 6. VIABILIDADE DE EXECUÇÃO Para o desenvolvimento do projeto serão disponibilizados módulos ZigBee (já existentes e disponíveis no Câmpus) para o estudo e compreensão da tecnologia e posteriormente serão utilizados recursos presentes nos laboratórios de indústria do campus, como sensores, fontes de alimentação, entre outros dispositivos e plantas industrias disponíveis para os testes do funcionamento e aplicações da tecnologia de rede ZigBee. Não há necessidade de aquisição de equipamentos ou de verbas além da bolsa auxílio ofertada. Existem alguns alinhamentos com empresas e fornecedores para o empréstimo de equipamentos e dispositivos para o enriquecimento dos cenários dos testes. Notar que estes equipamentos não são fundamentais para o andamento padrão dos experimentos. Eles apenas enriqueceriam e diversificariam a produção de resultados (a falta destes não impediria a realização da pesquisa). 7. RESULTADOS ESPERADOS E DISSEMINAÇÃO É esperado que o conhecimento sobre a tecnologia ZigBee seja disseminado no instituto de origem (que possui cursos voltados as áreas da automação e informática) e em congressos através de pôsteres e palestras. Assim como que os resultados do projeto possam contribuir com material cientifico para aperfeiçoamento da tecnologia, através de roteiros para testes, e até mesmo uma apostila sobre a viabilidade da rede em diversos projetos. Também é esperado que sejam encontradas novas possibilidades de aplicações das redes ZigBee em ambientes industriais, de modo a otimizar projetos e propor soluções.

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ERGEN, Sinem Coleri ZigBee/IEEE Summary. Disponivel em: < Acesso em 20 de outubro de LEKER, Guilherme; et al. Rede de Sensores Sem Fio Trabalho para a disciplina de Redes em Engenharia de Automação. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Disponível em: < Acesso em 11 de outubro RUA, David, et al. Interface USB para recolha de dados de sensores remotos utilizando ZigBee e IEEE ?. Disponível: < 16 agosto VASQUES, Bruna L. R P, et al. ZigBee Trabalho para disciplina de Redes de Computadores em Engenharia Eletrônica e de Computação. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Disponível em: < em 8 agosto WATTAHAWISUTH, Natthapol, et al. Microclimate real- time monitoring based on ZigBee sensor network. Sensors, 2009 IEEE, p IEEE, Disponível em: < Acesso em 15 setembro 2015.