UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

COMPARAÇÃO ENTRE SISTEMASDE MEDIÇÃO E ATUAÇÃO COM E SEM FIOS: ESTUDO DE CASO EM CONTROLE DE CONFORTO TÉRMICO

LUCIANO FERNANDO ROSA MAURICIO DADA FONSECA DE FREITAS

CURITIBA

2011

LUCIANO FERNANDO ROSA

MAURICIO DADA FONSECA DE FREITAS

COMPARAÇÃO ENTRE SISTEMAS MEDIÇÃO E ATUAÇÃO COM E SEM FIOS: ESTUDO DE CASO EMCONTROLE DE CONFORTO TÉRMICO

Trabalho de conclusão de curso

apresentado à disciplina Trabalho

Final de Curso como requisito

parcial à conclusão do Curso de

Engenharia Elétrica, Setor de

Tecnologia, Exatas, Universidade

Federal do Paraná.

Orientação: Prof. Dr. Gustavo

Henrique da Costa Oliveira.

CURITIBA

2011

TERMO DE APROVAÇÃO

LUCIANO FERNANDO ROSA

MAURICIO DADA FONSECA DE FREITAS

COMPARAÇÃO ENTRE SISTEMAS MEDIÇÃO E ATUAÇÃO COM E SEM FIOS: ESTUDO DE CASO EM CONTROLE DE CONFORTO TÉRMICO

Trabalho de graduação apresentado à disciplina de Projeto de Graduação como requisitoparcial à conclusão do curso de Graduação de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná.

Prof. Gustavo Henrique da Costa Oliveira, Dr.

Prof. Eduardo Parente Ribeiro, Dr.

Prof. Gideon Villar Leandro, Dr.

Prof. João da Silva Dias, Dr.

CURITIBA

2011

AGRADECIMENTOS Agradecemos aos nossos familiares por todo o apoio e suporte, não só

ao longo destre tabalho ou curso, como também durante toda nossas vidas.

Ao Professor Gustavo Henrique da Costa Oliveira, por toda a

disposição em acompanhar e orientar a execução do projeto.

Aos nossos colegas, pelo companheirismo e assistência mútua durante

as várias etapas do curso.

Seremos eternamente gratos também aos professores do

departamento por todo o conhecimento transmitido ao longo do curso, que

serão fundamentais par nossas carreiras profissionais.

RESUMO

Este trabalho aborda a comparação de um sistema de medição e

atuação com e sem fios. Como estudo de caso foi desenvolvido um sistema de

controle de conforto térmico com sensores de temperatura e umidade, sendo o

sinal a ser controlado o índice PMV (Predictive Mean Vote) de um ambiente.

A base do sistema de controle utilizado é a alocação de pólos,

controlador RST, no qual é possível especificar o comportamento do sistema

do ponto de vista de tempo de subida e overshoot.

A comunicação sem fios é baseada no padrão IEEE 802.15.4 e

realizada com os módulos MRF24J40MA, soluções voltadas para dispositivos

de baixo consumo, baixa taxa de transferência e baixo custo.

O foco dos resultados está na comparação entre os controladores com

e sem fios, e não somente a performance do controlador prático com o teórico.

Outros resultados incluem estatísticas de perdas de dados, retransmissões e

outros cuidados a serem tomados em sistemas utilizando links sem fio para

aquisição de dados de sensores.

Palavras chave: Controle de conforto térmico, PMV, controlador RST,

redes sem fio.

ABSTRACT The following work addressesthe comparison between wired and

wireless systems of measurements and actuation. As a case of study, a control

system of thermal comfort, with temperature and humidity sensors, will be

developed, the signal to be controlled is the PMV (Predictive Mean Vote) of a

closedenvironment.

The control system method to be used is bypole allocation, RST

controller, in which the behavior of the system is determined by means of rise

time and overshoot.

The wireless communication is based on the IEEE 802.15.4 Standard

and realized with the MRF24J40MA modules. Those solutions are centered for

low power, low transfer-rate and low cost applications.

The focus of the results is the comparison between the wired and

wireless controllers, not only on the system performance compared to the

theoretical synthesis. Other results include the statistics of data loss,

retransmissions and other cautions on using wireless data links for sensor data.

Key-words: Thermal Comfort Control Systems, PMV, RST controller,

wireless networks.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................ 1

1.1 Contexto ................................................................................... 1

1.2 Conforto Térmico e Controle Térmico ...................................... 1

1.3 Sistema sem fios ...................................................................... 1

1.4 Objetivos Gerais e Específicos ................................................ 4

1.5 Organização do Trabalho ......................................................... 5

2 Aparato experimental Parte 1: zona termica e sistema de controle 6

2.1 Zona térmica e conexões ......................................................... 6

2.1.1 PIC16F1824 ...................................................................... 12

2.1.2 Mikro C .............................................................................. 13

2.1.3 Aquisição do sinal dos sensores e conversor ad ............... 13

2.1.4 Interface SPI ...................................................................... 14

2.1.5 Geração do sinal de PWM ................................................ 15

2.1.6 Interface com o computador .............................................. 16

2.2 Modelagem do ambiente térmico identificação de sistemas,

modelo, e resultados. ................................................................................... 17

2.3 Sistema de controle ............................................................... 18

2.3.1 Estrutura: hardware e software (RST) ............................... 18

2.3.2 Projeto do controlador: alocação de polos ........................ 20

3 Aparato experimental parte 2: sistema Sem fios .......................... 22

3.1 IEEE 802.15.4 ........................................................................ 22

3.1.1 Controle de acesso ao canal ............................................. 24

3.1.2 Topologias de rede ............................................................ 24

3.1.3 Configuração da Rede e alocação de endereços .............. 25

3.2 MRF24J40 .............................................................................. 26

3.3 Protocolo de comunicação ..................................................... 27

3.3.1 Enquadramento de pacotes .............................................. 28

3.3.2 Fluxo de Dados ................................................................. 29

4 Resultados .................................................................................... 31

5 Conclusões ................................................................................... 38

6 Trabalhos Futuros ......................................................................... 40

7 Bibliografia .................................................................................... 41

LISTA DE FIGURAS Figura 2.1-1 Miniatura de sala - vista por fora com tampa ........................................................... 6

Figura 2.1-2 Miniatura de sala usada como sistema de controle sem a tampa ........................... 7

Figura 2.1-3 Espaço utilizado ........................................................................................................ 8

Figura 2.1-4 Ilustração da distribuição dos componentes na planta ............................................. 8

Figura 2.1-5 Dois resistores utilizados para o aquecimento ......................................................... 9

Figura 2.1-6 – Diagrama simplificado da planta para a análise do sistema com fios. ................ 10

Figura 2.1-7 – Diagrama simplificado da planta para a análise do sistema sem fios. ................ 10

Figura 2.1-8 Placa de comunicação com o computador, com microcontrolador (em baixo não é

visível na foto), MAX 232, e módulo wireless. Funciona tanto com sistema com fio

(sensores ligados diretamente nele) e sem fio (através do sistema wireless) ................... 11

Figura 2.1-9 Placa do atuador da resistência de aquecimento. MOSFET, microcontrolador,

optoacoplador. Usado no sistema com e sem fio. ............................................................. 12

Figura 2.1-10- Formato de onda de um sinal PWM .................................................................... 15

Figura 2.1-11 – Esquemático do circuito para ajuste da tensão entre o PIC (3.3V) e o MAX232

(5V). .................................................................................................................................... 17

Figura 2.2-1 Gráfico PMVxTempo(s) do modelo matemático sobreposto à medição real. ........ 18

Figura 2.3-1 – Diagrama de blocos de um sistema com controlador RST. ................................ 21

Figura 2.3-2 ................................................................................................................................. 22

Figura 3.1-1 – Topologias Estrela e Ponto-a-ponto .................................................................... 25

Figura 3.3-1 – Esquema de camadas para a comunicação sem fios. ........................................ 28

Figura 3.3-2 – Fluxo de dados entre os elementos do sistema durante uma iteração do

controlador. ......................................................................................................................... 30

Figura 3.3-1 – Curva de resposta ao degrau do modelo teórico do controlador. ....................... 31

Figura 3.3-2 – Curva da resposta real do controlador, quando atuando com fios. ..................... 32

Figura 3.3-3 – Curva da resposta real do controaldor, quando atuando sem fios. ..................... 33

Figura 3.3-4 – Curvas sobrepostas para comparação. ............................................................... 34

Figura 3.3-5 – Resposta do controlador, ao simular uma possível indisponibilidade do sensor de

umidade. ............................................................................................................................. 35

Figura 3.3-6 - Resposta do controlador, ao simular uma possível indisponibilidade do sensor de

temperatura. ....................................................................................................................... 35

Figura 3.3-7 – Distribuição do intervalo de tempo de aquisição, quando os módulos estão

separados em 50cm. .......................................................................................................... 37

Figura 3.3-8 - Distribuição do intervalo de tempo de aquisição, quando os módulos estão

separados em 3m. .............................................................................................................. 37

Figura 3.3-9 - Distribuição do intervalo de tempo de aquisição, quando os módulos estão

separados em 8m. .............................................................................................................. 38

LISTA DE TABELAS Tabela 1-1 – Valores típicos para representar Metabolismo. ....................................................... 2

Tabela 1-2 – Valores de Resistência Térmica conforme a vestimenta. ........................................ 2

Tabela 1-3 – Sensação térmica experimentada conforme PMV. ................................................. 3

Tabela 3-1 ................................................................................................................................... 25

Tabela 3-2 ................................................................................................................................... 26

Tabela 3-3 – Formato de pacote enviado MRF24J40 de forma a preencher a FIFO de

transmissão. [12] ................................................................................................................ 28

Tabela 3-4 – Cabeçalho segundo o padrão IEEE 802.15.4 [11] ................................................ 29

Tabela 4-1 – Taxas de retransmissão do sistema ...................................................................... 36

Tabela 5-1 - Tabela resumo dos resultados avaliados ............................................................... 38

Tabela 5-2 – Tabela com erro percentual entre o sistema com fio e o teórico e o sistema com

fio e o sem fio ..................................................................................................................... 39

ABREVIAÇÕES

ADC – Analog-Digital Converter;

AVAC - Aquecimento Ventilação e Ar Condicionado;

CSMA-CA – Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance;

CSMA-CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection;

DAC – Digital-Analog Converter;

ED – Energy Detection;

EUSART - Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver

Transmitter;

FCS - Frame Check Sequence;

FIFO – First In, First Out;

FFD – Full Function Device;

FVR – Fixed Voltage Reference;

GTSs – Guaranteed Time Slots;

IEEE -Institute of Electrical and Electronic Engineers;

LQI – Link Quality Indication;

MAC –Media Access Control;

MOSFET - Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;

OSI – Open Systems Interconnection;

PAN – Personal Area Network;

PCB – Printed Circuit Board;

PHY – Physical Layer;

PMV - Predictive Mean Vote;

PWM – Pulse Width Modulation;

RF – Radiofrequência;

RFD – Reduced Function Device;

SISO - Single Output Single Input;

SPI – Serial Peripheral Interface;

UART - Universal Asynchronous Receiver Transmitter;

ZOH - Zero Order Holder;

1

1 INTRODUÇÃO

1.1 CONTEXTO

A grande variação climática levou ao desenvolvimento de toda uma

tecnologia de Aquecimento Ventilação e Ar condicionado denominadas

genericamente de AVAC. A motivação é obter um maior conforto térmico

dentro de edificações, por exemplo, residências, escritórios, shoppings entre

outros.

Entretanto, considerando ambientes muito grandes, como mercados ou

shoppings, existe a necessidade de vários sensores espalhados pelo ambiente

de forma a garantir que todo o ambiente está termicamente confortável. Caso

estes sensores se comuniquem com o controlador com fios isso gerará uma

grande quantidade de cabos e fios.

Uma solução seria a utilização de sensores sem fios, assim diminuindo

a quantidade de cabos vindos e tendo assim maior flexibilidade de

posicionamento dos sensores.

Por esse motivo nesse projeto será comparar a diferença entre a

utilização de sensores com e sem fios, num sistema de conforto térmico.

Provando assim que um sistema de conforto térmico sem fio tem um

comportamento semelhante a um sistema com fios.

1.2 CONFORTO TÉRMICO

A seguir, apresenta-se uma breve revisão bibliográfica sobre: o

conforto térmico, os índices de medidas e variáveis a serem consideradas.

Assim essa parte apresenta um embasamento teórico necessário para

compreensão e construção de um sistema que torne um ambiente

termicamente confortável.

Para o conforto apresenta-se uma seguinte definição [1]:

“(...)As exigências humanas de conforto térmico estão relacionadas com

o funcionamento do organismo, cujo mecanismo complexo pode ser, grosso

modo comparado a uma máquina térmica que produz calor segundo sua

atividade . O homem precisa liberar calor em quantidade suficiente para que

sua interna se mantenha na ordem de 35º(...)”

2

Portanto, segundo essa definição de conforto térmico,tem-se que o

conforto térmico está relacionado às condições ambientais que de alguma

forma mantenham a temperatura do organismo na ordem de temperatura ideal

sem grandes esforços por parte do organismo.

Considerando o objetivo de controle de conforto térmico, faz-se

necessário uma referência do que existe e de índices mensuráveis de graus de

conforto térmico. O PMV (Predictive Mean Vote)[2], é um índice muito utilizado

para sistemas de controle de conforto térmico. Ele utiliza os seguintes

parâmetros: temperatura do ar, umidade relativa, temperatura média radiante,

velocidade do vento, taxa de metabolismo, e vestimenta.

A temperatura do ar e umidade já são bastante conhecidos, não

precisando de grande explicação. A taxa de metabolismo depende de cada

indivíduo, mas depende principalmente da atividade física realizada por este.

Pode ser medida tanto pela quantidade de calor liberada pelo organismo como

pelos níveis de gás carbônico e oxigênio expelidos. A vestimenta depende da

resistência térmica da vestimenta do indivíduo. Para ambos, as tabelas abaixo

relacionam os valores de taxa metabólica e atividade física e a outra relaciona

vestimenta e resistência térmica.

Tipo de Atividade Metabolismo Deitada 0,8

Sentado Descansando 1 Sentado com Atividade leve 1,2 Em pé com atividade leve 1,6

Em pé com atividade média 2 Atividade Intensa 3

Tabela 1-1 – Valores típicos para representar Metabolismo.

Vestimenta Resistência Térmica (clo)

Somente calção 0,1 Vestuario tropical 0,3

Vestuário de verão 0,5 Vestuário de trabalho 0,7

Agasalho Leve 1 Traje completo 1,5

Tabela 1-2 – Valores de Resistência Térmica conforme a vestimenta.

3

Existe também uma tabela indicativa de aproximadamente qual a

sensação térmica experimentada

PMV Sensação Térmica +3 Muito Quente +2 Quente +1 Levemente Quente 0 Neutra -1 Levemente Frio -2 Frio

Tabela 1-3 – Sensação térmica experimentada conforme PMV.

1.3 SISTEMA SEM FIOS

Para permitir a comparação, além do sistema de medições e

acionamento do atuador por fios, foi implementado, paralelamente, um sistema

de atuação sem fios, ou wireless.

Ao analisar o problema da comunicação sem fios, foram determinados

alguns requisitos desejáveis de forma a atender as necessidades do projeto:

• Comunicação em dois sentidos (Transceptor);

• Controle de acesso ao meio;

• Suporte para diversos elementos na rede;

• Alcance suficiente para atender as dimensões de uma sala

comum;

• Interface simples para comunicação com o modulo.

A ideia adotada para o fluxo de dados prevê que deve haver aquisição

do sinal dos sensores apenas quando estes forem requisitados pelo

controlador. Para isto, o circuito de aquisição deve atuar como um Receptor até

receber o comando de aquisição e após a leitura dos sensores, atuar como um

Transmissor de forma a retornar a informação ao controlador. Por isto é

importante que os módulos de Radiofrequência sejam transceptores, inclusive

como uma forma de reduzir a quantidade de componentes no sistema.

O controle de acesso ao meio (Media Access Control ou MAC) serve

primeiramente como uma maneira de endereçar os vários elementos que

compõem a rede. Outra função importante do MAC é a de controle de acesso

ao canal. Como os módulos RF operam na mesma frequência, é importante

4

existir um mecanismo para proteção contra colisões de pacotes, de forma a

evitar interferência.

São previstos pelo menos 4 elementos na rede sem fios: o controlador,

o atuador e dois sensores. Além destes, também é interessante deixar em

aberto a possibilidade de aumento de numero de elementos, permitindo a

adição de mais sensores ao sistema, no caso de uma sala grande, por

exemplo.

Quando tratando de um modelo em escala, como a maquete que será

utilizada para testes neste trabalho, o alcance não é um fator determinante já

que as distâncias em questão não ultrapassam 1,5m. Porém, o alcance dos

módulos RF é um requisito importante quando o sistema for uma sala. Também

é desejável a possibilidade de expansão da rede por repetidores de sinal, em

uma situação em que se pretenda controlar sistemas em mais de uma sala.

Como os módulos não farão todo o trabalho de processamento do

sistema de medições e controle, é importante que estes possuam uma

interface de comunicação simples. Neste quesito, é desejável que a

comunicação seja serial, de forma a reduzir a quantidade de fios entre os

módulos e seus controladores.

1.4 OBJETIVOS GERAIS E ESPECÍFICOS

O objetivo deste estudo é a comparação entre um sistema de

controle de conforto térmico com comunicação, entre as partes, com fios e

outra sem fios. Dessa forma, verificar se há diferenças entre os dois sistemas

Assim será montada a planta numa miniatura de uma sala. Nela

haverá um sistema de aquecimento com resistências como atuador, sensores

de umidade e temperatura e fora dela haverá um computador e um

microcontrolador para controle da planta. Será um sistema do tipo SISO (Single

Input Single Output) que usará um como sinal de controle o índice de conforto

térmico PMV (Predictive Mean Vote) que é calculado a partir de umidade e

temperartura obtidos dos sensores. A estrutura do sistema dométodo de

controle a ser utilizado é o RTS. O método de projeto do controlador é por

alocação de pólos.

Primeiramente o sistema de controle utilizado a comunicação

entre os sensores, controle e atuador será com fios, assim como o

5

levantamento do modelo matemático da planta do sistema. Em seguida o

sistema com fios será substituído por um sistema sem fios e será verificado a

diferença de performance entre os dois sistemas.

1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

Este trabalho está organizado da seguinte forma: no capítulo 2 será

apresentada a montagem do sistema com e sem fios, do ponto de vista de

hardware,bem como o projeto do sistema de controle, desde o cálculo o

modelo matemático da planta até o cálculo dos parâmetros docontrolador .No

capítulo 3,serão tratados os detalhes dos padrões e modulos utilizados para a

comunicação sem fio. No capitulo 4 será apresentado os resultados do sistema

com e sem fios e no capítulo 5 são levantadas as conclusões do trabalho. O

capitulo 6apresenta uma breve descrição do que poderia ser melhorado em um

trabalho futuro, em relação aos sensores, e no capítulo 7é listada a bibliografia

utilizada.

6

2 APARATOEXPERIMENTAL PARTE 1: ZONA TERMICA E SISTEMA DE CONTROLE

2.1 ZONA TÉRMICA E CONEXÕES

A planta utilizada foi uma miniatura de sala feita em madeira, as

paredes, chão e teto, e vidro, as duas janelas, nas mesmas proporções de uma

sala real nos EUA. O teto dessa miniatura é removível, como uma tampa, de

forma a facilitar a inserção dos materiais como os sensores e atuadores. Os

dados gerais dela podem ser resumidos:

• Altura:26cm • Largura:56cm • Comprimento: 77cm • Janelas:

o Altura do piso:1,5cm o Distância da Parede:4cm o Altura:29,5cm o Largura:20,55cm

• Espessura da parede:1,5cm • Espessura da Tampa:1,5cm • Espessura do Piso:4cm

As figuras 2.1-1 e 2.1-2 mostram fotosda planta.

Figura 2.1-1 Miniatura de sala - vista por fora com tampa

7

Figura 2.1-2 Miniatura de sala usada como sistema de controle sem a tampa

Uma subdivisão foi acrescida para diminuir o tamanho da caixa e assim

diminuir o tempo para aquecimento. As dimensões totais da sala realmente

utilizada foram:

• Altura:26cm • Largura:39cm • Comprimento: 56cm

A figura 2.1-3 mostram a área realmente utilizada

8

Figura 2.1-3 Espaço utilizado

Figura 2.1-4 Ilustração da distribuição dos componentes na planta

O atuador utilizado foi dois resistores do tipo normalmente

utilizado para chuveiro, conforme lista de materiais, entretanto usando uma

tensão inferior, máximo de 28V à 5,75A totalizando 161W de potência, para

não danificá-lo. Uma ventoinha também foi acrescentada para melhor

dissipação do calor gerado peloresistor. O controle da resistência foi feita por

intermédio de um MOSFET, Metal Oxide Silicio Field Efect Transistor,

9

chaveando um PWM sobre o resistor, assim foi possível controlar a potência

dissipada.

Figura 2.1-5 Dois resistores utilizados para o aquecimento

Os sensores utilizados foram um sensor de temperatura e outro de

umidade, conforme descrito na lista de materiais, entretanto apesar de duas

entradas o sistema é um sistema do tipo SISO, Single Input Single Output, pois

o que realmente foi utilizado como entrada para o controlador foi o PMV, que é

um valor calculado a partir da temperatura e umidade, sendo este a entrada

real do sistema.

A modelagem matemática do sistema e o controlador foram feitos

utilizando o sistema com fios, porém utilizando os mesmos sensores do

sistema sem fios. O principal motivo disso é que a utilização de sistemas com

fios é o mais comum em sistema de controle e assim já é mais do que

comprovada a sua confiabilidade.

O sistema com fios seguiu a montagem utilizando os seguintes

componentes:

• Microcontrolador;

• Circuito Integrado: MAX232;

• Microcontrolador: PIC16F1824;

10

• Sensor de Temperatura: LM35;

• Sensos de Umidade:;

• Opto-acoplador: 4n28;

• MOSFET: IRFZ44n;

• Resistência: Lorenzetti 220V 5400W;

• Cabo Serial;

• Fonte 30V; 5,7A;

• Fonte 12V.

O diagrama simplificado do sistema com e sem fios estão na Figura

2.1-6 e Figura 2.1-7:

Figura 2.1-6 – Diagrama simplificado da planta para a análise do sistema com fios.

Figura 2.1-7 – Diagrama simplificado da planta para a análise do sistema sem fios.

11

Entretanto, apenas o Hardware do sistema não é o suficiente para o

funcionamento do sistema. É necessário ainda um Software tanto no

microcontrolador como no computador.

No microcontrolador foi escrito um programa para apenas enviar o

valor de leitura dos sensores quando pedido pelo computador e do computador

receber o valor de porcentagem de PWM (Pulse Width Modulation, Modulação

por Largura de Pulso) ele gera o esse sinal para acionar o opto-acoplador, que

aciona o MOSFET que, por sua vez, aciona a resistência. Deve-se observar

então que o microcontrolador age apenas como uma interface com o

computador, tornando o computador responsável por todo o processamento e

assim por todo o controle da planta.

Figura 2.1-8 Placa de comunicação com o computador, com microcontrolador (em baixo não é visível na foto), MAX 232, e módulo wireless. Funciona tanto com sistema com fio (sensores ligados diretamente nele) e sem fio (através do sistema wireless)

12

Figura 2.1-9 Placa do atuador da resistência de aquecimento. MOSFET, microcontrolador, optoacoplador. Usado no sistema com e sem fio.

Outro software necessário é para o computador. O programa usado,

nesse caso, foi o MATLAB.O motivo é seu grande uso no meio acadêmico e a

facilidade de implementação do código. O código usado no MATLAB foi escrito

para enviar pela porta UART o comando de leitura dos sensores, receber esses

valores pela mesma porta o valor da leitura, calcular o sinal de controle e em

seguida enviá-lo para o microcontrolador novamente pela porta UART e depois

aguardar pelo período de amostragem para repetir o processo. Junto no

mesmo código foi escrito um outro sistema para leitura e gravação dos valores

dos sensores fixando um valor no atuador, sendo isso utilizado para obter a

resposta da planta para um sinal de entrada igual um degrau.

2.1.1 PIC16F1824

Para fazer a comunicação com o computador, comunicação com os

módulos RF, gerar o sinal de controle da carga e fazer a aquisição e conversão

dos sinais dos sensores, é necessário um microcontrolador. Optou-se por

13

utilizar um único dispositivo que realiza todas estas funções em um único

encapsulamento, de forma a reduzir a quantidade de componentes externos.

Dentre os dispositivos PIC, da Microchip, o que melhor atendeu as

especificações foi o PIC16F1824. Estas características, pertinentes ao projeto,

são[3]:

• Modulo ADC – 8 canais, 10 bits de resolução;

• Módulo de tensão de referência (FVR);

• Master Synchronous Serial Port (MSSP);

• Até 4 canais Capture/Compare/PWM (CCP);

• Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver

Transmitter (EUSART);

2.1.2 MIKRO C

Tendo em vista a grande quantidade de funções delegadas ao

microcontrolador, e a extensa rotina de inicialização e configuração dos

módulos de RF,a linguagem Cfoi utilizada para a programação.

Como compilador e plataforma de desenvolvimento, utilizou-se o Mikro

C, desenvolvido pela Mikroelektronika[4]. Este possui diversas bibliotecas

prontas para lidar com as funções mais comuns do microcontrolador e possui

documentação extensa, auxiliando no processo de escrita do código. Também

vale a pena destacar a grande esforço do compilador em otimizar o código no

momento da compilação, poupando recursos de memória e processamento do

microcontrolador.

2.1.3 AQUISIÇÃO DO SINAL DOS SENSORES E CONVERSOR AD

O módulo ADC é importante para fazer a aquisição do sinal dos

sensores, já que estes são analógicos e o controlador será digital.

O PIC16F1824 utiliza entradas analógicas que são multiplexadas para

um único circuito de sample-and-hold, na entrada do conversor. O conversor

gera um resultado binário de 10 bits a partir de aproximações sucessivas e o

armazena em registradores internos [3].

O tempo necessário para a conversão de um bit é definido como 𝑇𝐴𝐷.

Para uma conversão completa de 10 bits, são necessários 11.5 𝑇𝐴𝐷. A fonte de

clock para o conversor AD é selecionada em software. Este clock pode ser uma

14

divisão do clock do microcontrolador ou pode-se utilizar um oscilador RC

interno dedicado ao conversor [3]. As funções de conversão do MikroC

configuram o módulo para atuar com o oscilador RC interno. [4] No caso do

oscilador RC, o 𝑇𝐴𝐷 varia de 1 a 6us (valor típico na ordem de 1.6us),

resultando em um tempo de amostragem máximo de 69us e típico de 18.4us.

[3] Como os períodos de amostragem do controlador estãona ordem de

segundos, o tempo de conversão AD pouco interfere na lei de controle.

O módulo de tensão de referência é um periférico que gera um valor de

tensão constate de referência, independente da tensão de alimentação, com

níveis 1,024V, 2,048V e 4,096V selecionáveis. A saída deste módulo pode

servir como entrada do conversor AD, tensão de referência positiva do

conversor AD, tensão positiva do módulo comparador e como conversor

Digital-Analógico [3]. Neste trabalho, foi utilizada a tensão de 2,048V como

tensão de referência positiva do conversor AD. Isto visa distribuir melhor os 10

bits de resolução do conversor na faixa de tensão dos sensores. Seria ainda

melhor utilizar a tensão de 1,024V, porém este valor não pode ser a referência

positiva do conversor.[3]

Como o conversor oferece 10bits (1024 pontos) de resolução e a

tensão de referência positiva está em 2,048V, obtem-se uma resolução de

2mV/ponto. Para a medição da temperatura, utilizou-se o sensor LM35 que

gera um sinal de tensão continuo na escala de 10mV/˚C[5], portanto obtém-se

uma resolução de 0,2 ˚C / ponto. Este valor de resolução, apesar de não

aproveitar toda a capacidade do conversor AD, já é suficiente pois o limite de

exatidão garantido para o sensor é de ±1˚C, para +25 ˚C, sendo que a exatidão

típica gira em torno de ±0.4˚C, para +25 ˚C [5].

2.1.4 INTERFACE SPI

O MSSP é o módulo que lida com a comunicação serial com outros

dispositivos. Este pode operar no modo SPI ou I2C (Inter-Integrated Circuit). A

interface SPI suporta o modo Master, modo Slave, paridade de clock, entre

outros. [3] Este módulo é utilizado no modo SPI Master, de forma a se

comunicar com o módulo RF.

15

2.1.5 GERAÇÃO DO SINAL DE PWM

Do módulo de Capture/Compare/PWM é utilizado apenas o PWM, para

controlar a potência entregue à carga. A técnica de PWM consiste em variar a

tensão eficaz de um sinal, alterando a relação entre os estados ligado e

desligado de uma onda retangular, mantendo a frequência constante. [6] O

gráfico na Figura 2.1-10 mostra mais claramente o formato de onda utilizado:

Figura 2.1-10- Formato de onda de um sinal PWM

O ciclo de trabalho da onda (k) é determinado por:

𝑘 =𝑡1𝑇

(2-1)

No PIC16F1824, dependendo da frequência de utilização, o PWM pode

atuar com resolução do ciclo de trabalho de até 10 bits[3]. Por questão de

simplicidade foram utilizadas funções prontas do MikroC que utilizam apenas 8

bits de resolução[4].

A partir da referência bibliográfica[6], determina-se que a potência

entregue a uma carga resistiva, pelo PWM, pode ser descrita pela equação

(2-2), onde k é o ciclo de trabalho:

𝑃𝑖 =1𝑇� 𝑣0 ∙ 𝑖 𝑑𝑡𝑘𝑇

0=

1𝑇�

𝑣02

𝑅𝑑𝑡 = 𝑘

𝑉𝑠2

𝑅

𝑘𝑇

0 (2-2)

A equação mostra que a potência entregue varia proporcionalmente em

relação ao ciclo de trabalho. Isto nos permite um controle linear da potência

16

entregue à carga apenas variando o ciclo de trabalho do PWM. Como a

resolução utilizada é de 8 bits, podemos acionar o atuador com 256 níveis de

potência. Como calculado anteriormente, a potência máxima da fonte é de

161W, permitindo a resolução de aproximadamente 0,63W/ponto.

2.1.6 INTERFACE COM O COMPUTADOR

Para a comunicação com o computador, foi utilizado o protocolo RS-

232. Para realizar esta comunicação, utilizou o módulo EUSART do

microcontrolador. Este módulo contém todos os geradores de clock,

registradores de deslocamento e buffers de dados necessários para a entrada

e saída de dados serial, independentemente da execução do programa[3]. Por

ser um valor comum, foi utilizado um Baud-Rate de 9600 para a comunicação

com o computador.

Apesar de o microcontrolador gerar o sinal UART, este precisa ser

adaptado, a partir dos níveis TTL, para os níveis de tensão do padrão RS-232.

Para se atingir estes níveis de tensão, foi utilizado o componente

MAX232. Esta escolha gera um problema adicional pois o microcontrolador é

alimentado em 3,3V e o MAX232 opera em 5V[7]. Como a fonte de tensão do

circuito que faz interface com o computador é alimentada em 5V, antes de ser

regulada para 3,3V, o problema foi solucionado utilizando um arranjo de

transistores, como indicado na Figura 2.1-11:

17

Figura 2.1-11 – Esquemático do circuito para ajuste da tensão entre o PIC (3.3V) e o MAX232

(5V).

2.2 MODELAGEM DO AMBIENTE TÉRMICO IDENTIFICAÇÃO DE

SISTEMAS, MODELO, E RESULTADOS.

Para a realização do projeto do controlador é necessário obter um

modelo matemático do sistema. Para isso, será utilizado um modelo do tipo

caixa-preta. O método de identificação de sistemas é o dos Método dos

Mínimos Quadrados com modelo na estrutura Output Error.O modelo

matemáticoOutput Errorassumeum sistema em que há a planta a ser analisada

é uma função de transferência determinística acrescido de um ruído branco na

saída[1]. Para estimativa dos parâmetros pode ser utilizado regressão

conhecido como método dos mínimos quadrados. Partindo de um sinal de

controle enviado a planta, da resposta da planta ao sinal, e conhecendo a

ordem da planta é possível estimar os parâmetros do modelo pelo método dos

mínimos quadrados.

18

Na amostragem, utilizada para o cálculo do modelo matemático, foi

aplicado uma entrada do sistema um degrau PWM igual a 10% (dez porcento),

equivalente a 16,1W de potência sendo dissipada pelo resistor. Sendo

executadas medidas a cada dois segundos do valor PMV encontrado no

interior da caixa. A partir desta amostragem foi aplicado a identificação do

sistema, descrito anteriormente, com isso obteve-se a função transferência da

equação 2-3.

𝐻 =0,0026 ∙ 𝑍 − 0,0026

𝑍2 − 1,977 ∙ 𝑍 + 0,9774 (2-3)

Na figura 2.2-1 pode se ver a resposta do modelo matemático

sobreposto à amostragem, descrita anteriormente.

Figura 2.2-1 Gráfico Tempo(s)xPMV do modelo matemático sobreposto à medição real.

2.3 SISTEMA DE CONTROLE

A seguir será descrito o funcionamento do hardware e software de

controle e o projeto do controlador

2.3.1 ESTRUTURA: HARDWARE E SOFTWARE (RST)

Para o projeto do controlador será utilizado a mesma estrutura de

hardware descrita para modelagem matemática do sistema, ou seja com fios.

19

No microcontrolador também não foram feitas modificações no programa. O

software no computador novamente será utilizado o Matlab entretanto nesse há

algumas modificações no código.

As mudanças no código para o Matlab foram necessárias pois

precisava-se não apenas fazer-se uma leitura mas também enviar comandos

para o atuador continuamente. O software do Matlab foi dividido em três partes.

2.3.1.1 INICIALIZAÇÃO DO CONTROLADOR

A primeira parte é a inicialização do controlador ela faz a configuração:

da comunicação serial, das variáveis de leitura dos sensores, das variáveis de

armazenamento para posterior plotagem, variáveis do controlador, assim ela

inicializa a comunicação serial e orienta o Matlab a chamar a segunda parte do

código periódicamente em intervalos predeterminados.

A inicialização de variáveis em geral não é necessária no Matlab

podendo apenas atribuir o valor diretamente a variável, entretanto é útil definir

todas as variáveis antes, para evitar atrasos durante o processamento do

controlador. A inicialização da comunicação serial é feita pela classe “serial”

que faz o gerenciamento da comunicação UART (Universal Assynchronous

Receiver Transmiter) do computador. Para isso precisa configurar qual porta

RS-232 deverá ser ligado o microcontrolador (“COM1”,”COM2”,”COM3”,etc).

Este mesmo objeto funciona também como função de temporização

permitindo chamar outra função ou código em intervalos predeterminados de

tempo. Assim pelos métodos “TimerPeriod” e “TimerFcn” define-se o tempo de

amostragem, nesse caso era dois segundos, e a função ou código que será

acionado a cada tempo de amostragem, nesse caso o código “RW.mat”.

2.3.1.2 LEITURA E ESCRITA

A segunda parte, “RW.mat”, é chamada pelo objeto serial a cada

instante de tempo definido. Ela envia o comando de leitura dos sensores,

calcula o valor de temperatura e umidade, guarda os índices de erro, chama a

terceira parte, esta responsável pelo controlador, e por fim envia o sinal de

controle ao atuador.

A leitura é feita por um comando enviado pela porta serial enviando o

caracter “s” ao microcontrolador, este faz a leitura de todos os sensores ou

20

pede a leitura dos sensores no caso sem fios, que será vista mais para frente.

O microcontrolador responde enviando na ordem o valor da leitura de

temperatura seguido de umidade. No caso de sensores sem fios ele ainda faz

uma contagem e proteção contra o não envio dos valores dos sensores.

Recebido os valores ele grava numa variável do Matlab e em seguida

chama o código do controlador, que efetuara o processamento do sinal de

controle devolvendo o valor do sinal de controle para este código, “RW.mat”.

Por fim o código envia o pela porta serial o valor do sinal de controle,

finalizando em seguida, concluindo assim o passo de leitura, processamento e

escrita do sistema de controle

2.3.1.3 CONTROLADOR DO SISTEMA

A terceira e última parte é uma das mais importantes pois nela está

escrito a rotina de controle que apartir dos valores de temperatura e umidade

calcula o valor do sinal ao atuador.

Primeiramente ele calcula o valor do PMV a partir dos valores de

temperatura e umidade utilizando uma função obtida em [8] para este

propósito. Em seguida com o valor do PMV ele usa para calcular o sinal de

controle que é limitado entre 0 e 255 e arredondado para o inteiro mais

próximo, limitação do atuador. Por fim ele guarda os valores para a próxima

ação de controle.

2.3.2 PROJETO DO CONTROLADOR:ALOCAÇÃO DE POLOS

O projeto do controlador foi seguindo o modelo de controle conhecido

como RST[9]sendo este base para o código da terceira parte o controle do

sistema, seção 2.3.1.3, descrito anteriormente. O diagrama de blocos de um

sistema com um controlador RST é ilustrado na Figura 2.3-1.Sendo R, S, T,

filtros a serem calculados, “ZOH” um segurador de ordem zero (Zero Order

Holder)[9], e o “H” o modelo da planta.

21

Figura 2.3-1 – Diagrama de blocos de um sistema com controlador RST.

A grande vantagem desse modelo é a possibilidade da alocação dos

pólos de malha fechada, assim o overshoot máximo e tempo de resposta

podem ser especificados pelo projetista. O cálculo dos parâmetros R, S, T,

também requer, além dos pólos desejados, o modelo matemático da planta, já

descrito na seção 2.2.

O método de cálculo RST não será descrito aqui, podendo ser

encontrado na bibliografia[9], aqui apenas será descrito os elementos

necessários para o cálculo, sendo estes o modelo matemático e os pólos na

posição desejada. Considerando que o modelo matemático já foi obtido na

seção 2.2, falta projetar os pólos desejados de malha fechada.

O projeto dos pólos de malha fechada será feito utilizando um tempo

de resposta e um overshoot desejado. Considerando o controlador RST ele

permite que se calculem os pólos de malha fechada de um sistema de segunda

ordem, que tenha um overshoot e tempo de resposta desejados, e com isso

projeta-se um controlador que fará com o que sistema se comporte como

conforme designado.

Fazendo os cálculos de controladores para alguns casos de pólos de

malha fechada observou-se, em simulação que houve um overshoot muito

acima do esperado. De acordo com a biliografia[10], deve-se observar que em

um sistema de segunda ordem um zero mais dominante do que os pólos pode

causar oveshoots acima do esperado. Considerando que em malha fechada o

sistema apresenta a estrutura de um sistema de segunda ordem isso que foi

proposto também serve para este caso, pois o controlador RST preserva os

zeros de malha aberta original do sistema. O sistema original possui um zero

muito lento o que torna obrigado a colocar-se pólos mais lentos, porém

22

dominantes em relação ao zero. Assim foram escolhidos dois pólos mais

dominantes que os zero do modelo da planta.

𝑍𝑃1 = 0,997 (2-4)

𝑍𝑃2 = 0,997 (2-5)

Assim foram considerados pólos mais rápidos possível e os mais

dominantes possíveis em relação à zero. Deve-se observar que ambas

condições são contraditória, pois mais dominante significa mais lento e mais

rápido significa mais perto do zero do sistema. Também considerou-se que os

pólos de malha fechada fosse um sistema de segunda ordem sem sobre-

elevações, com apenas parte real[10], pois já estava-se considerando que o

zero próximo aos pólos iria causar sobre-elevações mesmo não se desejando

isso.

Com os valores dos pólos e o modelo matemático do sistema calcula-

se os valores de RST necessários para a malha de controle.

𝑅 = 𝑍2 − 0,0771 ∙ 𝑍 − 0,9229 (2-6)

𝑆 = (−0,5861 ∙ 𝑍2 + 1,1727 ∙ 𝑍 − 0,5866) × 103 (2-7)

𝑇 = 1,9857 ∙ 𝑍2 − 3,1771 ∙ 𝑍 + 1,2708 (2-8)

Assim para finalizar o projeto, ainda é necessário trazer os parâmetros

para o domínio do tempo discreto, de forma a poder ser implementado no

código no matlab, considerando que “u” é o sinal enviado ao atuador, “w” é o

sinal do SetPoint, e y é o valor do PMV:

𝑑𝑢 = 0,8953 ∙ 𝑑𝑢(𝑘−1) + 2 ∙ 𝑤(𝑘) − 3,6 ∙ 𝑤(𝑘−1) + 1,62 ∙ 𝑤(𝑘−2)

− 31,7229 ∙ 𝑦(𝑘−1) − 28,22404 ∙ 𝑦(𝑘−2) (2-9)

𝑢(𝑘) = 𝑢(𝑘−1) + 𝑑𝑢(𝑘) (2-10)

Figura 2.3-2

3 APARATO EXPERIMENTAL PARTE 2: SISTEMA SEM FIOS

3.1 IEEE 802.15.4

23

Ao pesquisar soluções que atendessem os requisitos propostos para a

realização do sistema sem fios, descobriu-se o padrão 802.15.4, do IEEE. Um

estudo mais detalhado de suas características indicou que este padrão é uma

excelente solução para implementação do sistema de medidas sem fios.

Este define o protocolo e a interconexão a distâncias relativamente

pequenas, entre dispositivos de baixa potência e baixa complexidade,

utilizando baixas taxas de transferência, em redes determinadas Low Rate

Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN). [11]

O principal objetivo deste tipo de rede é a facilidade de instalação,

confiabilidade de transferência de informação, baixo custo e razoável vida útil

de bateria.[11]

Características específicas do padrão são[11]:

• Taxas de transferência de 250kb/s, 40kb/s e 20kb/s;

• Topologias em Estrela ou ponto a ponto;

• Alocação para endereços curtos (16 bits) ou estendidos (64

bits);

• Alocação para GTSs;

• Controle de acesso ao canal por CSMA-CA;

• Mensagens de confirmação (ACK);

• Baixo consumo de energia;

• Detecção de Energia (ED);

• Indicação de Qualidade de Link (LQI);

• 16 canais na banda de 2450 MHz, 10 canais na banda de 915

MHz e um canal na banda de 868 MHz;

Existem dois tipos de dispositivos que podem participar de uma LR-

WPAM: Full Function Devices (FFD) e Reduced Function Devices (RFD).

Dispositivos do tipo FFD, podem assumir três papeis dentro da rede, o de PAN

Coordinator(Coordenador da PAN),Coordinator(Coordenador) ou Device

(Dispositivo). Um dispositivo FFD pode se comunicar com outros FFDs ou com

RFDs, já que possuem suporte a todos os tipos de mensagens do protocolo. Já

um RFD, só pode assumir a posição de dispositivo e se comunicar com outro

FFD. Isto permite que os RFDs possam ser implementados utilizando requisitos

de processamento e memoria mínimos. [11]

24

3.1.1 CONTROLE DE ACESSO AO CANAL

Para realizar o controle de acesso ao canal, o padrão IEEE 802.15.4

indica a utilização do protocolo CSMA-CA.[11]

Inicialmente, uma estação que está para transmitir um sinal, faz um

sensoriamento de portadora de forma a determinar se o canal está disponível.

Caso este esteja disponível, é enviado um sinal de Jam, ou congestionamento,

indicando para os demais elementos que este está prestes a iniciar uma

transmissão. Há uma espera para que todas as outras estações recebam este

sinal e finalmente acontece a transmissão. [12]

O CSMA-CA difere do CSMA-CD principalmente em relação ao sinal

de congestionamento. No caso do CSMA-CD, este sinal só é enviado caso

ocorra a colisão, enquanto que no CSMA-CA este é enviado antes de toda

transmissão.[12] O segundo é utilizado em comunicações sem fio já que não

há como transmitir e receber do canal simultaneamente, ficando mais fácil

evitar colisões do que detectá-las.

3.1.2 TOPOLOGIAS DE REDE

Dependendo da aplicação, uma LR-WPAN pode atuar em topologias

de estrela ou ponto-a-ponto, ilustradas na Figura 3.1-1. Na topologia do tipo

estrela, as comunicações são estabelecidas entre os dispositivos e um único

controlador central, o coordenador da PAN. Em geral, os dispositivos são

pontos de iniciação ou terminação da comunicação na rede. O coordenador da

PAN pode iniciar, terminar ou rotear a comunicação ao longo da rede. Todo

dispositivo na rede, em qualquer das topologias pode ter um endereço

estendido (extended) de 64 bits. Este endereço pode ser utilizado para

comunicação direta dentro da PAN ou este pode ser trocado pelo endereço

curto (short), de 16 bits, alocado pelo coordenador de PAN, quando este se

associa a ele. O coordenador da PAN pode ser alimentado pela rede, enquanto

os dispositivos geralmente serão alimentador por pilhas ou baterias. As

aplicações que se beneficiam da simplicidade deste tipo de topologia incluem

home automation, periféricos de computadores, brinquedos, etc. [11]

Em uma topologia do tipo ponto-a-ponto, há também um coordenador

de PAN; porém, este difere da topologia em estrela, já que qualquer dispositivo

25

pode se comunicar diretamente com outro dispositivo enquanto um estiver no

alcance do outro. Este tipo de topologia permite que redes mais complexas

sejam formadas, com redes do tipo malha. Possíveis aplicações incluem

controle e monitoramento industrial, controle de inventário, agricultura

inteligente e segurança. [11]

Estrela Ponto-a-ponto

Figura 3.1-1 – Topologias Estrela e Ponto-a-ponto

3.1.3 CONFIGURAÇÃO DA REDE E ALOCAÇÃO DE ENDEREÇOS

Tendo em vista as possíveis topologias e suas principais aplicações,

observou-se que uma topologia ponto-a-ponto seria interessante, no caso de

expansão da rede e no controle de diversas salas, porém a topologia em

estrela é perfeitamente adequada para a aplicação neste trabalho.

Conhecendo as características deste tipo de topologia e do sistema a

ser controlado, é fácil de estabelecer papeis aos elementos de controle. A

Tabela 3-1 relaciona a distribuição proposta.

Elemento de Controle Papel na Rede

Controlador ( Interface com

Computador)

Coordenador da PAN

Sensores Dispositivos

Atuador Dispositivo Tabela 3-1 – Elementos de controle e seus respectivos papeis na rede.

O módulo RF conectado ao computador (controlador) atua como

Coordenador da PAN por ser um ponto central do sistema e por ser quem gera

26

e recebe a maior quantidade de tráfego. Já os sensores e o atuador podem ser

configurados como Dispositivos já que são os elementos mais de ponta do

sistema.

A alocação de endereços configurados nos dispositivos segue a Tabela

3-2:

Elemento Endereço Estendido1 Endereço Curto1

Controlador 01:01:01:01:01:01:01:01 01:01

Atuador 02:02:02:02:02:02:02:02 02:02

Sensor 1 (Temperatura) 03:03:03:03:03:03:03:03 03:03

Sensor 2 (Umidade) 04:04:04:04:04:04:04:04 04:04 Tabela 3-2 – Endereços nada rede, de cada elemento

3.2 MRF24J40

Tendo optado pela utilização do padrão IEEE 802.15.4, procurou-se

por um módulo barato, fácil de encontrar e que atendesse o padrão.

O MRF24J40, fabricado pela Microchip Technology Inc., se apresentou

como uma excelente opção para a aplicação neste trabalho.

As principais características do módulo são[13]:

• Modulo Transceptor RF 2.4 GHz;

• Atende o padrão IEEE 802.15.4;

• Suporte para ZigBee, MiWi, MiWi P2P e Protocolos

proprietários;

• Interface SPI de 4 fios;

• Baixo consumo de corrente:

o RX: 19mA;

o TX: 23mA;

o Sleep: 2uA;

Além do MRF24J40, como um circuito integrado, a Microchip também

fornece o módulos completos utilizando estes chiops. É o caso do

MRF24J40MA, que é uma placa de circuito impresso contendo o cristal para os

circuitos osciladores para geração de clock, regulador de tensão interno,

1 Em hexadecimal.

27

circuito de casamento de impedâncias e antena PCB. O alcance destes

módulos pode chegar até 120m (400 ft);[14]

3.3 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO

Apesar de haverem pilhas de código fornecidas pela Microchip para a

utilização dos padrões ZigBee ou MiWi[13], estas estão disponíveis apenas

para dispositivos de famílias mais avançadas, como 18F, 24F, dsPIC e 32F.[15]

Optou-se, então, por realizar toda a comunicação diretamente em cima

do padrão IEEE 802.15.4, desenvolvendo um protocolo próprio, bem

simplificado e específico pra aplicação. Fazendo uma analogia às camádas

propostas pelo modelo OSI, o padrão IEEE 802.15.4 é responsável pela

camáda física (PHY) e pela camáda de enlace (MAC), enquanto o protocolo

desenvolvido é a camada de aplicação.[13][16]

28

Protocolo específico

implementado em

software.

Tratadas pelo

MRF24J40, seguindo o

pradrão IEEE 802.15.4

[13]

Figura 3.3-1 – Esquema de camadas para a comunicação sem fios.

A rede utilizada no projeto é simples, no sentido de que todos os

dispositivos estão no alcance dos demais elementos da rede e toda a

comunicação é realizada entre os dispositivos e o Coordenador da PAN. Isto

permite que este esquema funcione mesmo sem outras camadas como a de

Rede ou de Transporte.

3.3.1 ENQUADRAMENTO DE PACOTES

Para transmitir um pacote, é necessário preencher a FIFO de

transmissão do MRF24J40.[13] Para fazer isto, o microcontrolador deve gerar

um quadro no formato estabelecido pela Tabela 3-3. Octetos: 1 1 Variável (M+N)

Comprimento do Cabeçalho (M) Comprimento do Quadro (M+N)

Quadro MAC (Cabeçalho e Payload)

Tabela 3-3 – Formato de pacote enviado MRF24J40 de forma a preencher a FIFO de transmissão.[13]

Os dois primeiros octetos servem para indicar para o MRF24J40 o

tamanho dos campos de cabeçalho e de payload. O quadro MAC, estabelecido

pelo padrão IEEE 802.15.4, é demonstrado na Tabela 3-4:

29

Octetos: 2 1 0/2 0/2/82 0/2 0/2/82 Variável

(N) 2

Controle de

Quadro

Número de

Sequência

Identificação da PAN de

Destino

Endereço de

Destino

Identificação da PAN de

Origem

Endereço de

Origem Payload FCS

Tabela 3-4 – Cabeçalho segundo o padrão IEEE 802.15.4 [11]

Nos dois bytes de Controle de Pacote (Frame Control) são especificados

as caracteristicas do pacote a ser enviado. O valor configurado neste campo foi

fixado pelo programa em 0x0188, indicando que o tipo de quadro é de

informação (Data) e que os endereços de Destino e Origem são endereços

curtos (16 bits). O número de sequência não foi utilizado e foi mantido fixo

como 0. Os endereços são alterados conforme a situação. O campo FCS serve

para verificar a integridade do pacote e é calculado automaticamente pelo

MRF24J40.[13][11]

O campo de Payload é onde vão os bytes do protocolo desenvolvido

para a aplicação. Este campo foi fixo em 3 bytes, já que é suficiente para cobrir

todos os possíveis casos de transmissão neste trabalho.

3.3.2 FLUXO DE DADOS

A Figura 3.3-2 representa o fluxo de dados entre os elementos do

sistema.

2 Podem ser endereços do tipo curto, estendido ou o campo pode ser suprimido,

dependendo da configuração do campo de controle de quadro.

30

Figura 3.3-2 – Fluxo de dados entre os elementos do sistema durante uma iteração do

controlador.

Inicialmente o computador se comunica com o coordenador da PAN

requisitando a aquisição dos valores dos sensores, enviando um byte com o

caractere ‘s’. O coordenador passa sequencialmente por uma lista de

dispositivos reconhecidos como sensores e encaminha a requisição dos

valores convertidos a partir dos sensores. A resposta dos dispositivos de

sensor contem um byte representando seu identificador na rede, seguido de

outros 2 bytes condendo o valor gerado pelo conversor AD. Ao receber estes

valores, o coordenador apenas os concatena e envia tudo ao controlador.

Para alterar o valor do sinal PWM no atuador, o computador envia um

byte com o caractere ‘t’, indicando que quer alterar o valor do atuador e um

outro byte indicando o valor da intensidade do atuador. Estes valores são

repassados ao dispositivo atuador, pelo coordenador da PAN. Não há

respostas pelo lado do atuador.

31

Apesar de o padrão IEEE 802.15.4 suportar um mecanismo de garantia

de transmição através de mensagens de confirmação (ACK), este é opcional e

não foi utilizado. [13][11]

Esta funcionalidade foi realizada por software, com o objetivo de se

gerarem estatísticas de perdas de pacotes. Após enviado o pacote com o

comando para realizar a aquisição dos sensores o coordenador da PAN

aguarda por resposta do dispositivo. Caso não haja retorno, o coordenador

retransmite o comando para aquisição (‘s’,0,0). Este procedimento se repete

por 5 vezes, e se após as retransmições, ainda não houver resposta, o

coordenador indica ao controlador que o sensor está indisponível.

4 RESULTADOS

Os resultados do sistema foram avaliados para o controlador, com e

sem fios, e o desempenho do sistema sem fio, individualmente

desconsiderando o controlador.

Começando pela resposta teórica, a simulação em MATLAB do

sistema com o controlador RST e o modelo da planta pode ser visto na Figura

3.3-1. Deve se considerar que o setpoint foi de zero PMV e considerando um

valor inicial de 1,6 PMV, de forma a resposta teórica ficar semelhante ao que

será encontrado na prática.

Figura 3.3-1 – Curva de resposta ao degrau do modelo teórico do controlador.

32

Pode-se observar que o controlador teve um tempo de resposta de

aproximadamente 658 segundos, o valor subir de 10% a 90% do seu valor

final. O valor da porcentagem de overshoot foi de 7,037%. Considerando que

mesmo que o PMV seja zero ainda pode haver um erro 0,5 PMV[2] por conta

do não conhecimento da temperatura média radiante.

Os resultados práticos obtidos do ponto de vista do controlador foram

utilizando o sistema configurado nos seguintes padrões fixos:

• Temperatura média radiante: 24ºC;

• Velocidade do Ar: 0,1m/s;

• Vestimenta: 0,1 clo (alguém somente de calção);

• Atividade: 1,6 (Alguém de pé com atividade leve);

• Offset na Temperatura: -10ºC.

A o valor medido da temperatura foi considerado um offset de -10ºC,

pois o dia em que foram feitas as medidas a temperatura do ar estava em torno

de 24ºC o que já daria um PMV muito próximo do zero. A umidade foi

considerado o valor realmente lido nos sensores. Como a maior confiabilidade

está no sistema de controle com fio, portanto primeiramente os resultados

obtidos no sistema com fio pode ser visto naFigura 3.3-2:

Figura 3.3-2 – Curva da resposta real do controlador, quando atuando com fios.

O tempo de resposta do sistema realmente observado foi de

aproximadamente 630 segundos, e a porcentagem de overshootfoi de 7,25%.

33

Repetindo os testes para o sistema sem fios obteve-se o gráfico da

Figura 3.3-3:

Figura 3.3-3 – Curva da resposta real do controaldor, quando atuando sem fios.

No caso sem fio houve um tempo de resposta 634 segundos e

porcentagem overshoot de 6,87%.

Por fim para facilitar a comparação visual os três gráficos foram

desenhados juntos para melhorar a comparação, também foi aplicada uma

função de suavização para eliminar ruído presente nos gráficos anteriores.

Assim na Figura 3.3-4 é possível ver o resultado da teoria, do sistema com fio e

do sistema sem fio.

34

Figura 3.3-4 – Curvas sobrepostas para comparação.

Por se tratar de uma comunicação sem fio, é de se esperar que

possam ocorrer indisponibilidades dos sensores devido a degradações do

meio, como interferências ou obstáculos, ou caso acabe a energia nas baterias.

Tendo isto em mente, é preciso determinar como fica a resposta do controlador

nesta situação.

Inicialmente, simulou-se a indisponibilidade do sensor de humidade,

apenas retirando as baterias que alimentavam o circuito. O comportamento

inicial do controlador é de manter o ultimo valor válido lido e apenas indicar que

houve falha do sensor. A Figura 3.3-5 indica como ficou o valor calculado do

PMV enquanto o sensor estava indisponível.

35

Figura 3.3-5 – Resposta do controlador, ao simular uma possível indisponibilidade do sensor de

umidade.

Pela curva, observou-se que, a ausência do sensor de humidade

ocasionou em um erro na medida do PMV e, mesmo com a retomada do

sensor, o controlador não se recuperou rapidamente.

Em seguida, o teste foi repetido, porém com o sensor de temperatura.

O resultado é demonstrado nas curvas da Figura 3.3-6:

Figura 3.3-6 - Resposta do controlador, ao simular uma possível indisponibilidade do sensor de

temperatura.

36

Desta vez, o problema se pronunciou de maneira bem mais acentuada.

Durante a ausência do sensor, o valor calculado do PMV se mantêve quase

constante, já que o valor de temperatura utilizado no cálculo foi fixado no ultimo

valor válido lido pelos sensores. Isto fez com que o controlador aumentasse

muito a intensidade do atuador. Com o retorno da comunicação com o sensor,

o sistema fez um novo cálculo válido do PMV e conseguiu se recuperar.

Mesmo com a recuperação do sistema, este não é um comportamento

aceitável e deve ser evitado. Para isto, implementou-se um sistema simples

que pára o controlador, caso um certo número de aquisições seja perdido

consecutivamente, e avisa o operador da falha.

Ao longo dos diversos testes do controlador utilizando o sistema sem

fios, observou-se que houveram perdas eventuais de aquisições. Isto motivou

um breve estudo do desempenho da rede sem fio em condições normais. Fez-

se uma alteração no código no microcontrolador do coordenador da pan de

forma a contar o número de retransmissões que ocorreram até a recepção

efetiva do valor dos sensores. Após, desenvolveu-se um pequeno script para

Matlab que realiza uma grande quantidade de aquisições dos sensores e

calcula o tempo entre o envio da requisiçao e a recepção da resposta. De

forma a ver se estas perdas de aquisição eram influenciadas pela distância,

foram realizados três testes com os sensores situados a 50cm, 3m e 8m.As

taxas de retransmissões obtidas estão na Tabela 4-1:

Distância Total de Requisições Retransmições Taxa

50 cm 6462 298 4.6116 %

3 m 7968 452 5.6727 %

8m 2577 487 18.8979 % Tabela 4-1 – Taxas de retransmissão do sistema

Apesar das retransmições, todas as aquisições foram bem sucedidas.

Também foram elaborados histogramas com os tempos obtidos, de forma a ter

uma noção de como é a distribuição destes tempos.

37

Figura 3.3-7 – Distribuição do intervalo de tempo de aquisição, quando os módulos estão

separados em 50cm.

Nota-se que houve uma grande concentração de aquisições que

ocorreram com intervalosem torno de 45ms e em torno de 60ms. Há também

uma certa quantidade de aquisições entre 70 e 80 ms. Uma suposição é a de,

a partir de 70ms, as aquisições já apresentaram retransmições.

Figura 3.3-8 - Distribuição do intervalo de tempo de aquisição, quando os módulos estão

separados em 3m.

Novamente, a grande maioria das aquisições ficaram em torno de 60

ms, desta vez com um pico bem acentuado ao redor de 62,6 ms, indicando que

este deve ser o valor típico para uma aquisição. Considerando que o tempo de

38

amostragem do sistema é de 2 segundos, verifica-se que o tempo de aquisição

só ocupa 3% de uma iteração do controlador, não afetando seu desempenho.

Aumentando a distância, nota-se um aumento no número de

aquisições que se enquadraram no intervalo entre 70 e 80ms, reforçando a

suposição de que estas eram aquisições que tiveram retransmições. Aparecem

também aquisiçoes ao redor de 90ms.

Figura 3.3-9 - Distribuição do intervalo de tempo de aquisição, quando os módulos estão

separados em 8m.

Este ultimo gráfico possui menos amostras, porém acompanha a

tendência dos demais, apresentando também um aumento na quantidade de

aquisições com retransmições.

5 CONCLUSÕES

A conclusão do controlador numa comparação entre a teoria e a

prática, com e sem fio pode se dizer que foi satisfatória pois nos valores

avaliados de tempo de resposta e porcentagem de overshoot foram bastante

semelhantes.

Teórico Com fios Sem fios

Tempo de resposta (s) 658 630 634

Overshoot (%) 7,037 7,25 6,87 Tabela 5-1 - Tabela resumo dos resultados avaliados

39

Pode-se fazer uma comparação percentual de forma a validar o que foi

projetado na teoria. Neste caso comparando o tempo de resposta do sistema

com fio comparando a realidade com a teoria foi de -4,25%. Já a porcentagem

de overshoot teve um erro percentual em relação à teoria de 0,2%. Assim tanto

a o tempo de resposta como a porcentagem de overshoot estão dentro um

limite aceitável de 5%, apesar do tempo de resposta ter ficado muito próximo

desse limite. Isso valida o funcionamento do modelo da planta e projeto do

controlador conforme a teoria.

Também é possível e desejável uma comparação percentual entre o

sistema com e sem fio. Nessa comparação pode se perceber que o erro

percentual do tempo de resposta e porcentagem de overshoot entre o sistema

com e sem fio são semelhantes. O erro do tempo de resposta foi 0,63% em

relação ao sistema com fio, mais confiável, e o erro da porcentagem de

overshoot foi -0,35%, erros estes muito pequenos. Portanto pode-se dizer que

o sistema com fio e sem fio se comportaram de maneira praticamente igual

validando o funcionamento do sistema sem fio.

Sistema com fio e Teórico

Sistema sem fio e sistema com fio

Tempo de resposta -4,25% 0,63%

Overshoot 0,2% -0,35% Tabela 5-2– Tabela com erro percentual entre o sistema com fio e o teórico e o sistema com fio

e o sem fio

Com o levantamentodos números de retransmições, notou-se que

estes se mantiveramem um nível aceitável para pequenas distâncias, porém

já pareceram exagerados para 8m. Para o propósito do trabalho, isto não foi

problema, porém, como esta é uma distância que é fácilmente atingida ou até

ultrapassada dependendo do ambiente, isto pode se tornar um problema em

uma aplicação real. Acredita-se que esta não é uma limitação dos módulos RF,

já que o datasheet apresenta um alcance muito maior, porém seria necessário

um estudo mais minucioso de forma a determinar corretamente a causa e

apresentar uma melhoria.

Finalmente, com os histogramas com os tempos de aquisição,

determina-se que o intervalo típico de aquisição fica em torno de 60ms, sendo

que este valor ocupa apenas 3% do tempo total de amostragem, que é de 2s.

40

Observou-se também um comportamento nos histogramas de

representar os atrasos ocasionados pelas retransmissões, com o aumento da

concentração de aquisições ao redor de 75 e 90 ms.

Apesar de passarem uma ideia geral e até possibilitarem a formulação

de algumas suposições, este também é um ponto do trabalho que necessitaria

de um estudo individual mais minucioso para ser plenamente conclusivo.

De maneira geral, pode-se dizer que é sim possível a utilização da

comunicação sem fios entre os elementos do sistema de controle. O

desempenho do controlador é praticamente o mesmo, em condições normais

de operação, como ausência de obstáculos entre os módulos, bateria

carregada e baixa interferências externas no sinal. Porém, a comunicação sem

fios traz diversos problemas e dificuldades a serem solucionados, como a

integridade dos dados transmitidos, retransmissões de pacotes e

indisponibilidade de um elemento. Estas dificuldades puderam ser quase

desprezadas na maquete, porém elas são amplificadas conforme o aumento da

distância e da complexidade do local onde o sistema é implementado.

6 TRABALHOS FUTUROS

Num trabalho futuro poderia ser utilizado um sensor de temperatura e

umidade num mesmo encapsulamento. Até onde foi pesquisado a utilização de

um componente só que faria ambas as medições, possui a vantagem de

facilitar o trabalho de aquisição, software e hardware, e economia espaço na

placa, sendo esses motivos suficiente para investigar sua utilização.

Para citar exemplo será utilizado o componente SHT11 fabricado pela

SENSIRION, podendo ele ser facilmente encontrado na internet para comprar.

O trabalho de aquisição nele é menor comparado aos sensores utilizados, pois

possui saída digital, protocolo I2C (Inter Integrated Circuit), facilitando do ponto

de vista do hardware eliminando filtros analógicos e conversor analógico digital

assim como ajustes nos níveis de tensão para o conversor. Haverá também um

ganho de espaço devendo-se as dimensões dele que são consideravelmente

menores que o sensor de umidade além do espaço usado para os circuitos

complementares de filtragem. Outra vantagem é a tensão ser a mesma dos

módulos RF, 3V, facilitando a implementação em hardware. O custo é

semelhante a sensores de umidade discreto com saída de tensão analógica

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encontrados. Outro ponto a se considerar é a questão de precisão, no caso o

SHT11 ele é menos preciso que o LM35, utilizado, porém em regiões mais

distantes de 25ºC, o que não interessa para o projeto, porém próximo a 25ºC a

precisão é a mesma, +-0,5ºC, o que o tornaria viável.

Assim sendo uma possível expansão para o projeto seria sim a

utilização de sensores de temperatura e umidade conjugados, pois até onde foi

pesquisado atende as especificações necessárias. Entretanto deve se salientar

seria bom investigar com mais calma e mais detalhadamente sobre as

necessidades e se realmente essa solução é viável.

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