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Relatório de estágio

SCADA com SMS

Notificação de eventos através de GSM

Nuno Filipe Pereira Guimarães

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

06–01–2003

SCADA com SMS

Relatório de Estágio

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Conteúdo Apresentação do estágio ........................................................................................2 Estrutura do relatório .............................................................................................2 Agradecimentos ......................................................................................................3

1 Enquadramento e descrição do problema.......................................................4 1.1 A EFACEC – Sistemas de Electrónica, SA...............................................4 1.2 O sistema SCATEX .....................................................................................4 1.3 O problema inicial.......................................................................................6

2 Arquitectura do sistema de notificação de eventos .......................................7

3 Especificação e selecção do equipamento........................................................8 3.1 Sobre pagers e como funciona o sistema .................................................8 3.2 SMS/GSM em aplicações de automação industrial................................9 3.3 Escolha do equipamento............................................................................9

4 Projecto e implementação do software ............................................................11 4.1 Arquitectura física do sistema.................................................................11 4.2 Arquitectura do software...........................................................................12

4.2.1 O servidor.............................................................................................12 4.2.2 O modulo SMS e a API do cliente.......................................................13 4.2.3 Protocolo de Mensagens SCADA/Servidor de mensagens .................14 4.2.4 Nota sobre a Interface com o modem ..................................................14

5 Testes e estado da implementação .................................................................16

6 Conclusão ...........................................................................................................18 6.1 Possíveis melhorias...................................................................................18 6.2 Arquitecturas de exploração ...................................................................18 6.3 Comentários finais ....................................................................................19

7 Anexos ................................................................................................................20

Indice de figuras Figura 1: Funcionalidade a desenvolver..................................................................7 Figura 2: Arquitectura final do sistema .................................................................11 Figura 3: Arquitectura de software do lado do servidor ......................................13

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Apresentação do estágio

Este documento relata o desenvolvimento do projecto “SCADA com SMS” realizado nas instalações da EFACEC – Sistemas de Electrónica, S.A., no âmbito da cadeira Projecto, Seminário, Trabalho de Fim de Curso do 5º ano da LEEC. O objectivo deste estágio, como o próprio nome indica, foi o de dotar o sistema SCADA da empresa com a capacidade de enviar mensagens SMS para notificação de eventos (alarmes).

Estrutura do relatório

Este relatório de estágio está dividido em seis partes. Numa primeira parte faço o enquadramento do objecto de desenvolvimento deste estágio apresentando a empresa, o produto ao qual se destina e o problema que lhe deu origem. Na segunda parte descrevo a arquitectura do sistema de notificação de eventos. Na terceira parte descrevo o equipamento necessário à sua implementação. Na quarta parte descrevo o projecto propriamente dito e a forma como decorreu a sua elaboração. Na quinta parte falo dos testes executados sobre a aplicação e os resultados obtidos. Por fim, na sexta parte concluo tecendo algumas considerações sobre o estágio. Os principais documentos elaborados na empresa, nomeadamente a especificação formal do projecto e alguns documentos associados à fase de desenvolvimento, aparecem em anexo a este relatório.

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Agradecimentos

Gostaria aqui de deixar o meu agradecimento a algumas pessoas que directa ou indirectamente estiveram envolvidas neste processo.

Assim, e começando pela FEUP, gostaria de agradecer ao meu orientador Prof. Pedro Ferreira Souto por ter aceite prontamente o meu convite para orientar o estágio. As aulas por ele ministradas no âmbito do meu curso serviram de motivação e prepararam-me em grande medida para a realização deste estágio em termos de capacidades de programação.

Na EFACEC gostaria de agradecer ao meu orientador Engº Rui Manuel Vieira e também ao Engº Alberto Rodrigues pela paciência que tiveram comigo nas minhas dúvidas e inexperiência, pelo apoio prestado e profissionalismo demonstrado e que me servirá, sem dúvida, de referência. Gostaria também de agradecer a todas as pessoas com quem de alguma forma mantive contactos dentro da empresa, mas muito em especial aos colegas de gabinete Eduardo Ramalho, Luís Pedro Cardoso e Paulo Santos pela camaradagem e convívio.

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1 Enquadramento e descrição do problema

O objectivo do meu estágio na EFACEC foi acrescentar a funcionalidade de envio de mensagens tipo SMS face à ocorrência de determinado tipo de alarmes/eventos a um Sistema de Supervisão e Telecontrolo. O trabalho foi centrado na definição/selecção de hardware necessário e desenvolvimento de software/API genérica a ser integrado nos sistemas da EFACEC.

Para facilitar a compreensão dos restantes capítulos deste relatório, neste capítulo faço uma descrição do problema na origem deste estágio, começando por situá-lo em termos da empresa e do produto para que foi desenvolvido.

1.1 A EFACEC – Sistemas de Electrónica, SA

A EFACEC–SE é uma empresa do Grupo EFACEC, constituída em 1991 como empresa autónoma. Surgiu como uma evolução lógica da anterior Electrónica Industrial, criada em 1979 dentro da EFACEC - Empresa Fabril de Máquinas Eléctricas, SARL. Uma das principais actividades da empresa é o desenvolvimento de aplicações para sistemas de distribuição de energia eléctrica (DMS – Distribution Management System).

1.2 O sistema SCATEX

Para resolver os problemas colocados pelos seus clientes a EFACEC–SE desenvolveu um sistema SCADA de médio/grande porte – o SCATEX. É um sistema de uso genérico que se destina ao controlo e monitorização de instalações de diversos tipos, tais como:

• Redes eléctricas

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• Redes de distribuição de água

• Redes de distribuição de gás

Com base na experiência adquirida pela EFACEC–SE e em requisitos solicitados pelo utilizador final, este sistema tem como características fundamentais:

• Funcionalidades de SCADA

Uma larga gama de funções SCADA são suportadas pelo sistema, sendo as mais relevantes:

o Aquisição de informação digital e analógica através de URT’s;

o Visualização da informação telemetrada em ambiente gráfico;

o Controlo remoto de equipamentos por parte do operador ou por acções automáticas do sistema;

o Processamento de alarmes;

o Suporte para alarmes imediatos e diferidos no tempo;

o Registo de eventos e de alarmes;

o Sinalização;

o Facilidade de arquivo de informação digital e analógica;

o Elaboração de gráficos de tendência com base na evolução temporal das entidades observadas e nos dados arquivados;

• Sistema baseado em standards, tendo em vista a interligação de equipamentos oriundos de múltiplos fabricantes e a evolução do sistema com custos mínimos;

• Simplicidade de operação, oferecendo ao operador uma visão integrada e funcional da instalação;

• Configuração/modificação do sistema on-line;

De referir ainda que o sistema é disponibilizado para as duas plataformas, Windows e Unix.

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1.3 O problema inicial

Este estágio surgiu de uma especificação do caderno de encargos para a automatização de uma rede de distribuição da CERJ – Central Eletrica do Rio de Janeiro.

O SCATEX permite que um operador (ou despachante, na terminologia da CERJ) se ausente do seu posto por algum motivo, devendo nesse caso efectuar um logoff temporário. Como todos os eventos gerados pelo SCATEX são notificados através de um sinóptico no posto do operador, o operador que tiver efectuado um logoff temporário poderá não ser notificado da sua ocorrência em tempo útil. Este problema é particularmente grave no caso da ocorrência de um alarme, que poderá exigir uma acção atempada por parte do operador.

Para colmatar este problema, decidiram os responsáveis da CERJ incluir no caderno de encargos o seguinte requisito:

Reconhecendo o carácter geral deste requisito, a EFACEC–SE decidiu

incluir no SCATEX a funcionalidade de notificação de eventos dum operador afastado temporariamente do seu posto. No entanto, tomando em consideração o mercado potencial, a EFACEC optou por fazer a notificação através do envio de mensagens SMS em vez de mensagens do serviço paging.

“A) No caso do despachante ter efectuado um logoff temporário, a activação de um alarme sonoro também poderá provocar a activação de um pager que será acedido por uma rede de telefone pública ou privada.”

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2 Arquitectura do sistema de notificação de eventos

A arquitectura do sistema de notificação de eventos através de SMS é extremamente simples estando representada na figura seguinte:

Figura 1: Funcionalidade a desenvolver

Basicamente, para suportar esta funcionalidade, basta dotar o SCATEX dum módulo adicional designado por Módulo SMS. Este módulo requer:

• Equipamento especial com capacidade de envio de mensagens SMS através da rede GSM

• Software que recebe notificações da ocorrência de eventos gerados por outros módulos do SCATEX e as envia através do equipamento mencionado

Nos dois capítulos que se seguem apresento cada um destes componentes.

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3 Especificação e selecção do equipamento

Apesar de algumas unidades da empresa se dedicarem ao desenvolvimento de equipamento específico dos projectos que a empresa detém ou em que participa, a EFACEC–SE não desenvolve, contudo, equipamento relacionado com a tecnologia GSM.

Deste modo, uma das decisões de projecto implícitas foi que o equipamento para envio de mensagens SMS não seria desenvolvido no âmbito deste projecto, mas sim especificado e seleccionado.

De facto, atendendo ao caderno de encargos da CERJ, além de estudar equipamentos suportando SMS/GSM pesquisei também sistemas de paging.

3.1 Sobre pagers e como funciona o sistema

Apesar de ter sido abandonado, o trabalho de pesquisa sobre o funcionamento em “modo” pager estava já avançado tendo eu conseguido arranjar a informação necessária para definir uma arquitectura relativa a esta funcionalidade. O sistema de paging é um sistema de envio de mensagens com mais de dez anos e muito difundido em certas partes do mundo, nomeadamente no Brasil e EUA. Basicamente, este sistema permite o envio de mensagens para um terminal pager – tipicamente do tamanho de uma carteira. Os sistemas pager fornecem uma interface para que uma dada aplicação aceda ao serviço de uma forma automatizada. Um protocolo de informação, denominado IXO, estabelece as regras e a informação que deve ser trocada entre uma aplicação remota e um terminal pager. O problema reside no facto da maioria das operadoras de paging não disponibilizarem facilmente a informação necessária sobre essa interface, sendo necessário acordos com a empresa em questão, o que implicaria à partida a escolha da empresa telefónica sobre a qual o serviço seria disponibilizado e dificultaria a adopção generalizada do sistema pela EFACEC–SE.

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3.2 SMS/GSM em aplicações de automação industrial

O serviço de mensagens escritas (SMS – Short Message Service) resultou do aproveitamento de recursos da rede GSM. De facto, posteriormente à sua especificação inicial verificou-se que uma parte da banda de frequências especificada não era usada pelo sistema GSM. Assim, entendeu-se por bem criar um serviço alternativo que permitisse a troca de mensagens usando essa banda. Este serviço, o SMS, oferece basicamente a mesma funcionalidade que os sistemas de paging e teve um enorme sucesso, de tal modo que o serviço de paging praticamente desapareceu do velho continente.

Hoje em dia existem já inúmeras aplicações de automação industrial usando tanto GSM como SMS. Inclusive, diversos sistemas SCADA usam GSM como alternativa à rede telefónica. Esta alternativa é particularmente vantajosa para aplicações em locais (como, por exemplo, algumas estações de tratamento de água) que não são abrangidos pela rede fixa da região, tendo no entanto cobertura de rede GSM. No entanto, a rede telefónica móvel não tem a fiabilidade da rede fixa, o que em algumas aplicações pode significar a sua exclusão como alternativa.

A nossa aplicação de SMS difere desta utilização comum porque usa SMS apenas para a notificação de eventos quando o operador se ausenta do seu posto.

3.3 Escolha do equipamento

Na sequência duma pesquisa sobre modem’s GSM suportando SMS existentes no mercado escolhi (ou, melhor dizendo, sugeri) o modelo Siemens M35 Terminal, uma evolução do anterior M20 Terminal.

A opção prende-se com o facto de muitas das referências a casos de uso adoptarem o M20T com sucesso. Para além disso, a Siemens é uma marca conceituada e com representação em praticamente todas as partes do mundo (pelo menos, nas partes que interessam à EFACEC). Contudo, o M20T tem uma importante limitação: em caso de bloqueio ou mau funcionamento, o que é relativamente comum dado que a rede GSM sofre de alguma instabilidade, a reinicialização só pode ser feita por interrupção da alimentação do aparelho e voltando a ligá-lo à corrente eléctrica. Pelo contrário, o modelo M35T oferece comandos para a sua reinicialização.

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De facto, quer o modelo M35T quer o M20T podem ser controlados através da sua porta série, usando um protocolo implementado sobre comandos AT – um protocolo de comunicação muito usado no controlo de modems.

Refira-se ainda que quer o M20T quer o M35T requerem um cartão SIM da operadora contratada para identificação do aparelho na rede GSM.

Como nota final, gostaria de mencionar que, por razões de disponibilidade do equipamento, o projecto foi desenvolvido para o M20T e não para o M35T.

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4 Projecto e implementação do software

Neste capítulo descrevo a arquitectura e alguns pormenores de implementação do software. Para maior detalhe redirecciono o leitor para a especificação formal apresentada em anexo.

4.1 Arquitectura física do sistema

A figura seguinte ilustra os 3 componentes físicos principais da solução adoptada, assim como o tipo de rede usada na comunicação entre eles:

Figura 2: Arquitectura final do sistema

O componente central é o servidor de mensagens SMS. Este servidor é um processo que executa num computador ao qual está ligado o modem GSM/SMS através da porta série.

O servidor de mensagens recebe as mensagens de notificação de eventos enviadas pelo SCADA, converte-as em mensagens SMS, as quais envia para o telemóvel do operador via GSM/SMS usando para o efeito um modem GSM/SMS.

O SCADA envia as mensagens de notificação de eventos através do módulo SMS, que desenvolvi no âmbito deste projecto. Concretamente, este módulo é uma biblioteca de funções que constroem as mensagens de

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notificação de eventos e que as envia ao servidor de mensagens através de conexões TCP. As funções desta biblioteca são chamadas pelos outros módulos do SCADA.

Refira-se que, apesar do SCATEX estar disponível para as plataformas Windows e Unix, decidiu-se que o servidor de mensagens deveria ser implementado apenas para Windows.

4.2 Arquitectura do software

Atendendo a que a arquitectura do sistema é do tipo cliente – servidor nesta secção usaremos o termo servidor para designar o servidor de mensagens SMS e o termo cliente para designar qualquer processo que envie pedidos de notificação de eventos ao servidor de mensagens SMS. Em princípio, os clientes são processos SCATEX mas tal não é necessário.

4.2.1 O servidor O servidor é uma aplicação multi-threaded, com dois tipos de threads:

• Threads de recepção, os quais recebem os pedidos de notificação dos clientes através de sockets TCP e os convertem em mensagens SMS para posterior transmissão;

• Threads de transmissão, os quais se encarregam da transmissão das mensagens SMS através do modem;

Deste modo o número de threads de transmissão é igual ao número de modems, isto é, um.

Quanto aos threads de recepção, usa-se um thread por cliente, isto é, pedidos de notificação de eventos enviados por um cliente são recebidos sempre pelo mesmo thread de recepção.

A comunicação entre estes dois tipos de threads é feita através de uma fila com prioridades (mais concretamente, com 128 níveis de prioridade). Nem todos os eventos têm a mesma importância/urgência. Alguns exigem uma acção enquanto outros não, nuns casos a acção tem que ser tomada mais atempadamente do que noutros. Atendendo a que o acesso a esta fila é realizado por múltiplos threads, o seu acesso é sincronizado usando a interface de critical sections do Windows.

A figura seguinte ilustra a arquitectura do servidor:

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Figura 3: Arquitectura de software do lado do servidor

4.2.2 O modulo SMS e a API do cliente O módulo SMS contrói as mensagens a enviar ao servidor, tendo sido

implementado como uma biblioteca de funções que podem ser invocadas por outros módulos do SCATEX.

Mais concretamente, o módulo SMS implementa uma API composta por quatro funções, que passo a descrever sumariamente:

int nCreateSmsChannel ( int* pnStatusReport );

Esta função cria uma ligação ao servidor de SMS e retorna um descritor do socket em questão. O argumento pnStatusReport conterá informação detalhada em caso de erro da função.

int nRequestSms ( int nSmsSock , int nPriorityLevel , char* pcPhoneNumber , char* pcMesg );

Esta é a função que envia pedidos. Aceita como parâmetros o socket previamente criado, o nível de prioridade do evento (do alarme), o número de telefone do destinatário e a mensagem propriamente dita. Em caso de erro o valor retornado é maior que zero.

int nCloseSmsChannel ( int nSmsSock );

Fecha o canal (a ligação). Retorna erro se o canal já não existir.

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int nCheckSmsService ( int nSmsChannel );

Envia regularmente pedidos de confirmação de nível de serviço para o servidor. O objectivo é saber se vale a pena enviar o pedido por SMS pois pode existir alguma anomalia do lado do servidor.

Note-se que este módulo funciona quer em Unix quer em Windows, embora se use uma única implementação porque a EFACEC–SE dispõe duma emulação da interface sockets – BSD de Unix para Windows.

4.2.3 Protocolo de Mensagens SCADA/Servidor de mensagens Atendendo a que a comunicação entre o cliente e o servidor é feita

através de sockets TCP, adoptou-se o seguinte protocolo. Primeiro, o cliente envia 3 caracteres indicando o número de caracteres que se seguem. De seguida envia o pedido propriamente dito. O formato do pedido é o seguinte:

Stream = <número_de_prioridade>+<sp>+<número_de_telefone>+ +<sp>+<corpo_da_mensagem>

onde:

<número_de_prioridade> é a prioridade do evento, a qual pode variar entre 0 e 127 sendo esta última a mais elevada.

<sp> é o caracter espaço.

<número_de_telefone> é o número do telemóvel do operador a quem se destina a mensagem.

<corpo_da_mensagem> é o texto da mensagem escrita.

Todos os espaços a partir do segundo são considerados como fazendo parte do texto da mensagem.

4.2.4 Nota sobre a Interface com o modem Em princípio a interface com o modem GSM/SMS é relativamente fácil:

basta enviar os comandos AT apropriados através da porta série.

Na prática, o desenvolvimento desta interface consumiu-me bastante tempo, devido a time-outs na comunicação através da porta série. De facto a interface de programação Windows para comunicação através da porta série inclui alguns parâmetros para especificação de temporizações. Contudo, a generalidade da informação que consultei sobre esta interface menciona este parâmetros apenas de passagem sugerindo que não são muito relevantes.

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Infelizmente, os valores por omissão eram demasiado curtos para o M20T conduzindo a time-outs extemporâneos.

Para que o servidor fosse suficientemente robusto determinei duma forma sistemática os valores de time-out para cada um dos comandos usados, procurando evitar time-outs extemporâneos mas garantindo que possíveis problemas fossem detectados.

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5 Testes e estado da implementação

Para avaliar se o sistema desenvolvido satisfazia as suas especificações realizamos um conjunto de testes. Mais concretamente, desenvolvi um conjunto de experiências testando:

1. A comunicação entre clientes SCATEX e o servidor de mensagens;

2. A comunicação entre o servidor de mensagens e o operador;

3. O despacho dos eventos pelo servidor de mensagens;

Tratando-se de duma aplicação distribuída, a estratégia de testes teve de ser cuidadosamente desenvolvida.

No sentido de fornecer uma plataforma que permitisse a realização dos testes, dotei o servidor de mensagens dum segundo modo de funcionamento – test – no qual o thread responsável pelo envio das mensagens SMS se limita a extraír as mensagens da fila de espera, de acordo com a sua prioridade, e a registar o processamento dessa mensagem sem que, no entanto, a envie pelo modem.

Por outro lado, uma vez que o servidor de mensagens faz um registo da sua actividade num ficheiro, o smslog, usei esta capacidade para fazer a verificação do correcto desempenho do servidor em termos de processamento dos pedidos.

Desenvolvi também uma aplicação cliente de teste, de modo a poder testar o serviço e o módulo SMS sem necessidade do SCATEX. Esta aplicação envia pedidos de notificação de eventos, conforme especificado num ficheiro de configuração (script).

Assim, numa primeira fase, usando a aplicação cliente e o servidor de mensagens em modo de teste, procurei verificar o correcto funcionamento dos seguintes elementos:

1. A comunicação entre o cliente e o servidor

2. O despacho dos eventos

Para análise dos resultados destes testes confrontei os scripts dos clientes e os logs gerados pelo servidor.

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Uma vez garantido o correcto funcionamento (1) da comunicação entre o cliente e o servidor de mensagens e (2) da ordem de despacho dos eventos, realizei uma segunda fase de testes.

Nesta fase, o servidor operou em modo normal – full – processando as mensagens recebidas da aplicação cliente de teste. Esta fase permitiu testar:

3. A comunicação entre o servidor de mensagens e o operador

4. O funcionamento completo do servidor de mensagens

Mais uma vez, os resultados destes testes foram analisados usando os scripts dos clientes, os logs gerados pelo servidor e ainda pelo comportamento do telemóvel.

Atendendo a que a interface com o modem já tinha sido sujeita a testes exaustivos durante o seu desenvolvimento, e ainda devido ao facto de que na primeira fase de testes se tinha testado o despacho dos eventos pelo thread de de transmissão, entendi que não era necessário testar a comunicação entre o servidor de mensagens e o operador isoladamente, antes de realizar os testes globais do servidor de mensagens.

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6 Conclusão

Nesta parte teço os comentários finais ao projecto indicando a minha opinião sobre o modo como decorreu o projecto e alguns comentários sobre a proposta final da aplicação.

6.1 Possíveis melhorias

Uma das melhorias óbvias do trabalho desenvolvido é acrescentar suporte para o reset do modem GSM. Como mencionado, o modem usado no desenvolvimento – o M20T – não tem esta funcionalidade, pelo que não teria sido possível testá-la se a tivesse implementado. Contudo, o modem que seleccionei – o M35T – já tem essa funcionalidade e faz todo o sentido tirar proveito dela.

Uma outra melhoria possível seria uma interface gráfica que suportasse a monitorização do servidor de mensagens, isto é, a apresentação , possivelmente em tempo real, do conteúdo do ficheiro smslog através duma interface gráfica. Esta funcionalidade poderia ser facilmente implementada usando uma folha de cálculo (por exemplo, Microsoft Excel) pois o servidor regista as suas actividades no ficheiro smslog num formato tabular.

6.2 Arquitecturas de exploração

A arquitectura do sistema permite que a comunicação entre o SCATEX e o servidor de mensagens seja feita através da Internet. Esta arquitectura levanta sérias questões de segurança. Deste modo, o uso duma tal arquitectura exige a ponderação cuidadosa de aspectos de segurança.

Uma outra arquitectura de exploração possível, que não sofreria dos problemas de segurança que acabamos de mencionar, seria dotar cada “cliente” do seu próprio modem-GSM. Nessa implementação, a arquitectura deixaria de ser do tipo cliente-servidor.

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6.3 Comentários finais

Com base nos objectivos propostos, penso que se atingiram de forma satisfatória as metas descritas anteriormente. No entanto, e porque o projecto decorreu em paralelo com cadeiras que tive de frequentar na faculdade, este “sucesso” só foi possível graças à boa vontade dos responsáveis da EFACEC que me prolongaram o estágio para que ele pudesse ser concluído. Aproveito para deixar aqui o meu sincero agradecimento às pessoas responsáveis pela oportunidade que me foi dada.

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7 Anexos

Seguem-se em anexo os documentos mais relevantes elaborados na empresa.

A – Especificação formal da aplicação B – Análise da comunicação com o modem

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