2º SIMPÓSIO BRASILEIRO DE AUTOMAÇÃO INTELIGENTE CEFET-PR, 13 a ·15 de Setembro de 1995 Curitiba Paraná

Arquitetura de Sistema de Automação Predial

Márcia Cristina Yomura

Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná (CEFET-PR)

Av. Sete de Setembro, 3165 Curitiba -PR - 80230-901

e-mail: mcy@cpgei.cefetpr.br

Resumo

Este artigo apresenta um modelo de interligação de dispositivos para a automação de um edifício residencial. Inclui a arquitetura do hardware, as funções do firmware e o protocolo de comunicação. Este trabalho baseia­se na arquitetura apresentada no último simpósio e aprimora-se a mesma numa nova proposta, utilizando os conceitos já descritos mas tornando a arquitetura mais versátil, permitindo a inclusão de algoritmos inteligentes via software.

Palavras Chave automação predial, comunicação, redes de computadores.

1. Introdução

A automação predial visa oferecer conforto, segurança e economia aos moradores de um edifício residencial ou aos usuários de um centro comercial. A automação consiste de diversos sensores e circuitos de entrada de dados trabalhando em conjunto com sistemas de atuação, interligados para a informação de situações de emergência.

Em determinados aspectos o sistema de automação pode ser considerado como sistema de monitoração, em que sub-sistemas são responsáveis pelo controle de determinada região, como será visto posteriormente.

A idéia é utilizar os conceitos aplicados em indústrias para controle de processos através de sensores, e acrescentar funções específicas para prédios. A monitoração é feita através de um sistema integrado de hardware, software e firmware, que controla e atua · sobre os diversos dispositivos oferecidos por sua estrutura.

Dependendo das funcionalidades que os moradores desej em para seu edifício, a capacidade e o custo do sistema podem variar bastante, portanto um projeto completo depende dos itens a serem instalados. Características importantes para suprir as necessidades do sistema de automação são a flexibilidade e a confiabilidade do controle.

Os dispositivos atuadores podem ser projetados separadamente, apenas considerando que suas interfaces com o sistema integrado devem ser padronizadas. Um sistema com estas características permite que depois que o sistema foi implantado, novos dispositivos incorporando as evoluções tecnológicas sejam acrescentados.

2. Dispositivos oferecidos

Os dispositivos são caracterizados pelos sistemas de leitura e os atuadores, eles são as interfaces que recebem dados vindos do edifício ou as interfaces que executam comandos.

Existem dispositivos que são considerados como sendo o conjunto mínimo ou básico a um prédio que desej e ser automatizado. Estes pontos básicos são

• controle de luzes situadas nos apartamentos, acender ou apagar as luzes automaticamente, horário programado pelo morador;

que consiste em de acordo com o

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para

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• controle de acionamento e desligamento de tomadas, programadas também por horários, o que permite que o cafezinho esteja pronto ao se levantar pela manhã;

• acionamento e apagamento de luzes em áreas comuns, através da detecção ou não de pessoas nestas áreas;

• detecção de incêndio e acionamento de alarme.

Além dos pontos mínimos, outros controles podem ser acrescentados se ter um nível maior de automação, e estão disponíveis

tecnologicamente :

• controle de acesso a portas através de um cartão magnético ou ótico;

• controle de abertura de garagem através de cartão ou com cartão e senha;

• controle do ar condicionado; • controle de umidade ambient,e; • alarme de vazamento de gás; • alarme contra intruso em pontos chave; • câmeras de TV nos locais de acesso (portaria e garagem).

A utilização de um cartão é preferível, pois as pessoas tendem a perder mais facilmente chaves a cartões. Se for utilizado leitores de cartão magnético será possível ter acesso ao prédio e ao apartamento utilizando o mesmo cartão do banco.

As câmeras de TV permitem a visualização de movimentos suspeitos perto dos locais de acesso do edifício, podendo detectar tentativas de entrada pessoas não desejadas.

Além dos dispositivos citados, outros podem ser estruturados para se encaixarem dentro do sistema.

3. Arquiteturas de instalação

Arqui tetura de instalação é a forma como os pontos de controle são interligados e como se dá sua comunicação.

Um ponto em comum entre as arquiteturas propostas - é a --utilização de vários microcontroladores ligados em rede, consistindo num barramento de campo, utilizado nas indústrias para controle de processos. Os microcontroladores se fazem necessários devido à distância que o sinal deve percorrer sobretudo até o último andar, devendo haver um processador que possa analisar a comunicação e informar se o sinal foi corretamente transmitido.

Esta arquitetura pode utilizar um sistema auto-suficiente, corno o apresentado no trabalho do CONAl 94 [REN94] que controla por si os disposi ti vos e toma as atitudes programadas para os atuadores, como por exemplo tocar a sirene quando um incêndio é detectado. Na arquitetura apresentada existem diversos pontos microprocessados espalhados, não havendo um computador conectado.

A arquitetura aqui proposta utiliza um computador central do tipo PC que gerencia as unidades remotas, também microprocessadas. A capacidade de memória das unidades remotas não precisa ser mui to elevada pois os dados ficam concentrados no computador central, o qual envia os dados àquelas unidades sempre que for necessário, tem também a finalidade de receber e armazenar dados provenientes das unidades remotas.

3.1 Arquitetura do CO~

A arquitetura apresentada possui duas hierarquias de rede de microcontroladores, a primeira hierarquia é interligada por todo o edifício e constitui-se uma rede em que cada nó é responsável por um apartamento, a segunda hierarquia corresponde aos diversos pontos de controle de dentro do um apartamento ligados ao nó da primeira hierarquia, como ilustra a figura abaixo :

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11 1?8iO I I nó

~ condomínio

dispositivos

Figura 1 - Arquitetura de

209

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~ I adro I [

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Ó n ... n Ó I I

Ó [5 11· 0 n ···c ~ ~ L..J .

disposftivos dispositivos dispositivos

duas hierarquias sem computador central.

Os pontos são conectados através da RS 485, com topologia de barramento. A utilização deste padrão RS se dá devido às características de conecção muI tiponto e capacidade de distância e velocidade de transmissão das informações.

A programação de horários em um apartamento é feita através de um teclado e um monitor existentes dentro do próprio apartamento, esta informação sobre horários não trafega pela rede.

Uma das vantagens desta arquitetura é a segurança dos dados mantidos sobre cada apartamento, outra vantagem é que o morador pode configurar seus horários de dentro de seu próprio apartamento.

No entanto, o sistema não prevê o armazenamento de grandes quantidades de dados, por não possuir sistemas microprocessados com maiores recursos, por isto, não há um banco de dados.

3.2 A arquitetura com o computador central

Como o conforto é um dos objetivos principais bem como a capacidade de expandir o sistema, a estrutura . utilizando duas hierarquias foi adotada, apenas incluiu-se um computador central. A diferença significativa entre este sistema e aquele apresentado anteriormente não está na topologia da rede adotada, mas nas funções desempenhadas pelo computador central e nos dados que trafegam pela rede. A estrutura é mostrada abaixo :

llSll ~----r---~ ~ § Estrutura de Interligação

com duas hlerarqulOs

Figura 2 - Arquitetura com o computador central.

Com o computador central, o sistema permite : • a utilização de um computador permite o acesso à distância via modem,

existindo um produto específico de alto nível com interface igual ao sistema da portaria, facilitando o acesso pelo morador;

• todo o acesso ao sistema utiliza entrada com login e senha, para segurança dos dados de configuração do apartamento;

• com um leitor nas portas, pode-se guardar os dados com horários de entrada de pessoas nos apartamentos e realizar estatísticas simulando o comportamento dos moradores durante sua viagem, é um sistema inteligente pois assimila os horários do morador, pode ser incluído um algoritmo de preV1sao de horários através de inteligência artificial, já existem técnicas para isto;

• a interface é facilitada no computador central, pois utiliza programação icon1ca, o que auxilia o acesso por pessoas não acostumadas a lidar com computadores;

Se não forem utilizados teclado e vídeo internos ao apartamento, os moradores terão que fazer sua programação de horários fora do apartamento. Esta programação fica então a cargo de um terminal com interface de aI to nível situado na portaria do prédio, o que pode levar o sistema a ser sub-

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utilizado pois as pessoas tendem a deixar para depois o que não está à mão, costumam sair com pressa descendo direto ao estacionamento, sem passar pela portaria.

O tráfego na linha para esta segunda arquitetura é bem maior, pois além dos dados comumente enviados, agora deve-se receber os dados da configuração feita nos apartamentos e centralizar as informações.

Os pontos remotos funcionam com dados armazenados em pequenas memórias, estes dados são apagados depois de confirmada a transmissão à central, como os dados entrados pelo teclado interno, ou depois de executar urna ação, como o acionamento de uma lâmpada.

Este tipo de arquitetura possui um nível de complexidade maior, principalmente no que diz respeito à comunicação, devendo haver maior controle de consistência no banco de dados, pois são abertos três caminhos possíveis para a programação do apartamento, podendo ser de uma pessoa a partir do dentro do apartamento, na portaria ou com modem.

4. Protocolo de comunicação

Para a primeira arquitetura descri ta, o protocolo de comunicação utilizado era o token ring, ou passagem de bastão. Neste protocolo, o controle de acesso ao meio é dado pelo nó que possui o bastão, isto é, o nó que recebeu a permissão de controlar o meio. O bastão é passado de nó em nó pela rede, tendo cada um, sua vez de controle.

N.o segundo sistema o protocolo utilizado é o mestre-escravo, por possuir um computador central que fica encarregado de comandar os diversos pontos. Esta escolha é devida ao fato de haver um nó com mais recursos e portanto coloca-se a complexidade do protocolo nele, simplificando ao máximo a implementação em firmware. .

4.1 Protocolo da primeira hierarquia - sentido mestre-escravo A primeira hierarquia corresponde ao computador central e aos nós

responsáveis pelos apartamentos. O mestre executa ciclos de polling, interrogando aos escravos sobre dados a serem centralizados. Após um ciclo de polling, o mestre verifica os dados a serem enviados aos escravos e efetua a transferência de dados, voltando após isso a executar ciclos de polling.

Os dados a centralizar podem ser dados para o banco de dados ou alarmes, o tipo é identificado pelo infotipo do frame.

Quando um nó possui dados, ele envia um frame de DADO ou ALARME, e o mestre responde com um ACK ou NACK, até que todos os dados sejam transferidos e o escravo envie um frame de FIM.

Para cada f r ame enviado sempre há uma resposta, se um nó não responder a até cinco tentativas de comunicação, entende-se que o nó está fora do ar, e uma janela é aberta do computador central indicando qual o nó que não responde, pedindo que seja chamada a assistência técnica.

A estrutura do frame é dada por :

Isinc. I endereço I tamanholintotiPª dados Ichecksum I fim I

Figura 3 - Estrutura do frame.

Correspondente a • sincronismo (5 bytes) aceita-se um frame que tenha pego no mínimo 2

caracteres de sincronismo; • endereço (2 bytes) : o primeiro byte corresponde ao apartamento e o

segundo ao dispositivo na sub-rede interna; • tamanho (1 byte) tamanho do frame, 1 byte do caracter de

sincronismo e o resto do frame; • infotipo (1 byte) : identifica a finalidade do frame; • campo de dados (variável) : contém os dados, que estão de acordo com

o infotipo;

~~\ ~ --~

/

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• verificação de erros (1 byte) : código de Checksum para validação do frame;

• caracter final (1 byte) : é um caracter de terminação do frame.

o endereço O é reservado para o mestre, os endereços dos apartamentos são calculados multiplicando-se através da fórmula

onde . add= [(andar-l)*disp]+apto

add - é o endereço físico; andar - é o número do andar;

_ disp - é a quantidade de nós conectados a um andar (número de apartamentos) ;

apto - é o número do apartamento (começando por 1).

Os tipos de frames a trafegar são :

infotipo função campo de dados ACK Reconhecimento ---NACK Não reconhecimento ---

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HORA Acerto de hora Hora dada para sincronização dos horários na rede.

AÇAO Hora para executar uma ação A hora de execução da ação em um dispositivo (como e a ação a ser tomada (O -acender uma luz) . desativa, 1 - ativa) .

ENVIO O mestre pergunta a um ---escravo se o mesmo tem algum frame a enviar.

TOCA ALARME Este frame aciona O tipo do alarme que foi - dispositivos de indicação de acionado. alarme. ex : -.

O - incêndio; 1 - intruso

4.2 Protocolo da primeira hierarquia - sentido escravo-mestre O frame dos escravos para o PC deverá conter no campo endereço, o

primeiro byte com o endereço do mestre, o segundo com o endereço do nó, e o endereço do dispositivo aparece corno o primeiro byte do campo de dados, a estrutura do frame portanto é a mesma.

Os infotipos dos frames enviados por estes são

infotipo função campo de dados ACK Reconhecimento ---NACK Não reconhecimento ---N DADOS O escravo indica ao mestre ----

que não há dados a serem enviados.

ALARME Este frame indica que um O tipo do alarme que foi alarme está ativo. (sentido acionado. escravo-mestre)

DADOS São dados a serem armazenados Tipo do dispositivo e no banco de dados do dados a serem armazenados. computador central. Este campo varia de acordo

com o dispositivo. FIM Indica que todos os frames já ---

foram enviados.

No campo dados, através do número do dispositivo o computador central faz uma busca em seu banco de dados sobre a instalação, detectando qual o tipo do dispositivo, a partir daí interpreta os dados recebidos.

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~-~.~~ .. ~.\., 2! SIMPÓSIO BRASILEIRO DE .'V ~ AUTOMAÇAO INTELIGENTE

Estes dados podem ser o dia e a hora para ativar uma lâmpada dentro do apartamento, a partir da configuração pelo teclado do apartamento, ou o horário e o código da tentativa de acesso a uma determinada porta. Para cada tipo de dispositivo há portanto uma interpretação dos dados e um banco de dados específico a ser armazenado.

4.3 Protocolo da segunda hierarquia

O nó da rede executa polling para a sua sub-rede, como o funcionamento da rede da primeira hierarquia. No caso de haver comunicação do nó com o mestre e com a sub-rede ao mesmo tempo, opta-se por prioridade da a comunicação com a primeira hierarquia. Se um frame se perder ele será retransmitido, por isso existem cinco tentativas de comunicação, para previsão destas perdas.

O campo de endereço dos escravos da sub-rede para o seu mestre, possui no primeiro byte endereço O, no segundo endereço FF, e no primeiro byte do campo de dados o seu endereço.

Quando o polling interno é executado o mestre envia um frame tipo ATUALIZA, único tipo novo além dos anteriormente definidos. O dispositivo responde com um N DADOS se não houverem dados a enviar, ou com um DADOS com o campo de dados vazio se houver dados. O mestre guarda então o número dos dispositivos que necessitam enviar dados ao computador central.

Quando o computador central executa o seu polling e interroga aquele nó (1 3 hierarquia), ele funciona como um repetidor conectando os dispositivos da sub-rede ao computador central. Durante esta operação, o nó apenas altera nos frames o campo endereço em que foi colocado FF pelo seu endereço. Os dispositivos da sub-rede transmitem os dados propriamente ditos quando apenas quando recebem um frame- tipo ENVIO.

Quando o nó da primeira hierarquia recebe umframe vindo do mestre, e o reconhece, ele realiza o mesmo tipo de conecção, repetindo , o fra~~ para os dispositivos de sua sub~rede.

5. Conclusão Este artigo apresentou -uma arquitetura completa para implantação de

um sistema de automação predial, mostrando-se a estrutura de interligação e o protocolo de comunicação necessário para suprir as necessidades de informação. Os dispositivos finais foram colocados como caixas pretas pois cada um deles representa um novo artigo, um novo assunto a ser desenvolvido. A arquitetura está prevista para possuir alta conectividade, configurando os tipos e o número de disposi ti vos via software, mostrando ser um sistema flexível e que comporte as evoluções tecnológicas.

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