1 Título Interface Web desenvolvida na plataforma Arduino Mega2560 para acesso aos transdutores baseada no padrão IEEE 1451. 2 Aptidão Este é um projeto de caráter cientifico, cuja motivação é apresentar as vantagens da utilização de Kits Arduino, explorando a tecnologia no desenvolvimento de aplicações muito variadas adequando-as a padronizações e expandindo o capacidade do dispositivo a fim de sobrepujar suas exceções iniciais. 3 Descrição do Problema O crescimento exponencial das necessidades humanas tem tornado essencial o monitoramento e controle de coisas dos mais variados tipos, e considerando as limitações dos seres humanos aliado ao constante crescimento da tecnologia podemos fazer o uso de máquinas para o auxilio em tarefas corriqueiras. Como redes de sensores são capazes de monitorar, processar e transmitir informações, por este fato, podemos afirmar sua grande importância para incontáveis aplicações, por exemplo no monitoramento e controle de uma granja automatizada, no contexto industrial para o controle de uma linha de produção, no monitoramento ambiental a fim de realizar coleta de dados, na agricultura fazendo o controle de dosagens para manutenção dos cultivos e até mesmo o controle automatizado de máquinas agrícolas. Fazendo o uso de um padrão de comunicação, por exemplo o IEEE 1451, em um sistema de instrumentação e controle distribuído muitos valores são agregados ao sistema, como maior flexibilidade e facilidade na implementação e manutenção de módulos. Tendo como base padrão IEEE 1451, vários outros trabalhos vêm sendo realizados, como é o caso do trabalho de [Lutz e Faerber, 2009] que apresentaram as interfaces UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) e Ethernet desenvolvidos sobre o Kit Nios II com sistema operacional uclinux. Em [SONG et al, 2011] implementaram em um laptop o módulo NCAP e fizeram a comunicação do dois WTIMs (Wireless Transducer Interface Module) fazendo o uso dos padrões IEEE 1451.5-802.11 e 1451.0 No trabalho de [Song e Westbrook e Lee, 2012] desenvolveram um protótipo baseado no padrão IEEE 1451.4 com uma rede de sinais mistos (Analógico/Digital) Neste trabalho, os autores destacaram bastante a importância da utilização do padrão na coleta de dacos analógicos. 1
Para isto é proposto neste trabalho a implementação das normas de padronização IEEE 1451 visando a confiabilidade e interoperabilidade do sistema, com fácil diagnostico e tempo reduzido de parametrização, além do uso de uma plataforma de desenvolvimento open-source visando maior facilidade de implementação com um custo reduzido se comparado a outros trabalhos que possuem características de hardware superiores. Para este trabalho foi escolhido o kit Arduino devido ao baixo custo e facilidade de utilização, com uma excelente curva de aprendizado, pois trabalha com uma linguagem baseada em C/C++. 4 Fundamentação Teórica Existe a necessidade do monitoramento de variáveis ambientais, como por exemplo: pressão, som, temperatura, tensão. Este controle é feito através de sensores ligados a unidades de processamento capazes de simplesmente coletar tais informações e de algum modo retransmiti-la. Para um melhor forma de controle de tais informações mensuráveis em grande parte dos casos, estes sensores encontram-se ligados a redes capazes de fornecer dados precisos de forma muito rápida e eficiente, independente da distância física que se encontra o coordenador da rede. Independente da tecnologia de hardware utilizada para comunicação um conjunto de módulos coletores de dados geralmente estão ligados entre si através de uma rede local, tais redes são denominadas LANs (Local Area Networks). Caso algum dos módulos esteja desempenhando a função de gateway entre a LAN e uma rede externa como por exemplo á Internet, deste modo a rede de sensores pode ser monitorada e controlada através de qualquer dispositivo que tenha acesso a esta rede externa. Transdutores são componentes de controle e medida compostos de sensores, atuadores, ou ambos. Sensores são responsáveis por captar fenômenos externos e transformá-los em sinais elétricos que serão posteriormente transmitidos ao transdutor. Atuadores são responsáveis por fazer o oposto que os sensores, recebendo sinais elétricos e os transformando em fenômenos físicos [Song e Lee, 2008]. Segundo [Oliveira, 2004] os avanços na tecnologia dos sistemas micro-mecânicos (MEMS) permitiram que sensores pudessem além de fornecer puramente a representação dos dados, acoplar a capacidade de processamento on-board sobre os dados coletados. O Comitê Técnico em Tecnologia dos Sensores (TC-9) da Sociedade de instrumentação e medidas IEEE (Institute Of Electrical And Electronics Engineers) em parceria com o NIST (National Institute of Standards and Technology) estabeleceram em 1993 a padronização para sensores inteligentes 1451 [Santos, 2010]. Esta padronização de interfaceamento visa simplificar a conectividade e aumentar a flexibilidade dos transdutores em rede, para tal fim, ela disponibiliza um conjunto padronizado de interfaces, fornecendo 2
o conceito de subdivisão dos módulos transdutores inteligentes em dois módulos, TIM (Transducer Interface Module) e NCAP (Network Capable Application Processor). O nó NCAP possui uma capacidade de processamento que o torna capaz de prover o serviço de gateway entre o TIM ligado através de algum interfaceamento e a rede externa, como por exemplo a Internet, para isso, este nó deve possuir a capacidade de tratamento dos dados recebidos por ambas as partes a fim de reencaminhar requisições realizadas através da rede externa aos TIM e vice versa. Já o TIM é responsável por coletar puramente dados de sensores ou ativar atuadores através de comandos internos ou recebidos pela rede externa através do NCAP. A padronização dos métodos de comunicação através de alguma interface especifica é definida por alguma sub-variação do padrão IEEE 1451: O Padrão IEEE 1451.0-2007 visa a padronização dos TEDS (transducer electronic data sheets) independente do formato de comunicação utilizado. TEDS são tabelas armazenadas em memória não volátil responsáveis por descrever os sensores a atuadores pertencentes a um transdutor em especifico. Porém algumas aplicações em especifico permitem o armazenamento das TEDS em memória volátil, tais TEDS são denominadas TEDS virtuais. Através do envio de TEDS no momento seguinte ao estabelecimento de conexão entre o TIM e o NCAP é possível implementar a característica de reconhecimento automático, ou seja, plug and play. A característica plug and play permite diagnósticos avançados, tempo de parametrização reduzido, gerenciamento avançado do hardware e automatização de calibração. [IEEE, 2007] O padrão IEEE 1451.1 especifica a interface com a rede de tal maneira que a aplicação independa do protocolo utilizado pela rede ou barramento de campo [IEEE, 1999]. O padrão IEEE 1451.2 tem como objetivo especificar o interfaceamento do nó NCAP com o STIM (Smart Transducer Interface Module), de acordo com uma das tecnologias de rede cabeada, sendo: SPI, I2C, RS-232 e TII [Wobschall, 2008]. O padrão IEEE 1451.5 tem como objetivo especificar o interfaceamento do nó NCAP com o módulo sem fio WTIM (Wireless Transducer Interface Module) Um microcontrolador é uma variação de um computador, sendo capaz de executar funções programáveis, o microcontrolador contém dentro de um único circuito integrado componentes como memória ROM (Read-Only Memory), não volátil, responsável por armazenar os comandos a serem executados sob determinadas situações, RAM (Random Access Memory) para armazenar variáveis durante o tempo de execução, conversores Analógico/Digital, portos de entrada e saída, além da unidade de processamento, que é responsável por coletar informações recebidas nos portos e administrar as saídas de acordo com sua programação. O Arduino Mega 2560 utiliza microcontroladores da Atmel modelo ATmega2560, possuindo um total de 54 pinos digitais para entrada ou saída, com 15 podendo ser utilizados 3
como saídas PWM, 16 pinos para entradas analógicas, ICSP header, 4 UARTs (hardware serial ports). As Shields são módulos para expansão que permitem acoplar periféricos como interface bluetooth, leitores de cartão de memória, Telas LCD com Touch-screen, conexões ethernet, wi-fi e muitos outros, as shields são acopladas diretamente no Arduino sem precisar de uma alimentação externa. A pesar de ele possuir apenas estas conexões implementadas em Hardware, outras interfaces de comunicação podem ser virtualizadas por software, tornando-o muito flexível também neste quesito e ideal para o projeto proposto [Arduino, 2014]. 5 Objetivos O objetivo geral deste projeto é implementar um nó NCAP capaz de se comunicar através de uma interface padronizada com o TIM, através da comunicação Serial, RS232 ou ZigBee baseado na norma IEEE 1451. A fim de efetuar operações de leitura de sensores, ou acionamento de atuadores em cada módulo através de uma página Web provida pelo módulo NCAP. Para isso, destacam-se os sub-objetivos: O aprendizado da linguagem de programação baseada em C/C++ utilizada na programação do Kit Arduino, bem como o conhecimento sobre as bibliotecas necessárias para o projeto. Realizar um estudo da norma de padronização IEEE 1451. Utilizar os conhecimentos obtidos juntamente com técnicas de desenvolvimento de Software a fim de aplica-los para elaboração de um módulo eficiente e padronizado que tenha uma aplicação real. Efetuar um teste geral do sistema que englobe autonomia, robustez, analise do tempo de comunicação entre o NCAP e o TIM. 6 Resultados Esperados Ao final deste projeto além de desenvolver uma maquete do sistema totalmente funcional, pretende-se: Efetuar a utilização do sistema implementado em uma aplicação real. Aplicar o sistema implementado em uma situação prática. Dar sequencia ao desenvolvimento de sistemas de software utilizando sistemas embarcados. 4
Servir de inspiração para entusiastas no desenvolvimento de novas tecnologias baseadas na plataforma utilizada. 7 Descrição de Produtos Os resultados de PFC são apresentados em duas etapas, PFC 1 e PFC 2 descritos detalhadamente nas subseções sequentes. 7.1 Produtos de PFC 1 No produto de PFC 1 deve ser apresenta as ideias iniciais para o desenvolvimento de trabalho, será apresentado a comunidade acadêmica um seminário a fim de descrever os objetivos do projeto bem como apresentar a justificativa de escolha do projeto e as expectativas esperadas para ele. 7.2 Produtos de PFC 2 No produto de PFC 2 os resultados obtidos durante toda a fase de pesquisa e desenvolvimento do trabalho serão formalmente descritos em forma de artigo e submetidos a uma banca do curso para avaliação. Também comporá o produto de PFC 2 a monografia desenvolvida. 8 Metodologia A metodologia considera os principais tópicos de aprendizagem e desenvolvimento, subdividido-os nas seguintes etapas: I) Levantamento do material bibliográfico. Etapa que consiste em acumular e selecionar material necessário pra o embasar conhecimento no tema escolhido e consultar de trabalhos relacionados. Etapa essa que se estende ao longo de todo o projeto. II) Estudo das linguagens de programação necessárias. O Kit Arduino faz uso de um linguagem própria, portanto nesta etapa é enriquecido o conhecimento referente a esta linguagem, criando pequenas aplicações e explorando exemplos a fim de se familiarizar com a linguagem. III) Estudo do padrão IEEE 1451 Levantar o conhecimento a cerca desta norma de padronização IV) Implementação do nó de rede NCAP. Etapa em que é implementado o módulo principal do projeto. 5
V) Implementação dos gerenciadores de protocolo. Implementação dos módulos TIM em diferentes sistemas para a comunicação ZigBee e SPI. VI) Testes parciais e ajustes no sistema. Testes de funções e módulos a parte, a fim de descobrir e reparar pequenas irregularidades do processo de implementação. VII) Teste geral do sistema sistema. Nesta etapa é feita a conexão de todos os módulos para execução de testes tanto de velocidade como de robustez e desempenho. VIII) Elaboração do produto de PFC 1. Etapa de elaboração e apresentação do produto de PFC 1. IX) Elaboração do produto de PFC 2. Etapa que perdura até o final do projeto, consiste na elaboração e apresentação do produto de PFC 2. X) Elaboração da monografia. Etapa que compreende a elaboração e aperfeiçoamento da monografia. 6
9 Cronograma Levantamento do material bibliográfico. Estudo das linguagens de programação necessárias. Estudo do padrão IEEE 1451. Implementação do módulo NCAP. Implementação dos gerenciadores de protocolo utilizando SPI e ZigBee. Testes parciais e ajustes no sistema. Teste geral do sistema sistema. Elaboração do produto de PFC 1. Elaboração do produto de PFC 2. Elaboração da monografia. Ano 2013 2014 Mês 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 7
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