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Instrumentação InteligenteInstrumentação Inteligente
Prof. Dr. Carlos Eduardo CugnascaProf. Dr. Carlos Eduardo Cugnasca
[email protected]@poli.usp.br
Escola Politécnica da USPEscola Politécnica da USP
Depto. de Engenharia de Computação e Depto. de Engenharia de Computação e
Sistemas Digitais Sistemas Digitais
Laboratório de Automação AgrícolaLaboratório de Automação Agrícola
04/07/200504/07/2005
Linha de Pesquisa em Tecnologia de Informação no Agronegócio e Ambiente
Pesquisas envolvendo Instrumentação Inteligente
Laboratório de Automação Laboratório de Automação
AgrícolaAgrícola
04/07/2004 - CEC *** 2
AgendaParte I – Instrumentos Inteligentes
– Computação Pervasiva e Computação Ubiqua– Conceituação de Instrumentos Inteligentes
Parte II – Redes de Controle– Embarcadas em Veículos– Embutidas em Ambientes– De Sensores Sem Fio
Parte III – Padronização
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Parte I – Instrumentos Inteligentes
04/07/2004 - CEC *** 4
Instrumentos Inteligentes
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MotivaçãoMudanças de paradigmas nos últimos anos:
Centralizado x DistribuídoSistemas Hierárquicos x Sistemas em RedeOff line x On lineSistemas Proprietários x Sistemas AbertosSistemas Dedicados x Sistemas FlexíveisComputação “Estática” x Computação MóvelControle Convencional x Controle InteligenteInterfaces Passivas x Perceptuais/Reativas
04/07/2004 - CEC
Instrumentos Inteligentes
Convergência de tecnologias
Redução de tamanho: dispositivos portáteis
Dispositivos e sistemas computacionais: redução de custo e consumo
Uso intensivo de Internet e redes de alta velocidade
Crescimento da comunicação sem fio
Maior conectividade e transparência
Maior simplicidade de uso
*** 6
MotivaçãoAs mudanças continuam – tendências:
Instrumentos InteligentesComputação Pervasiva
O computador está embarcado no ambiente de forma invisível para o usuário
Os computadores agem de modo inteligente no ambiente onde se encontram embutidos:– capacidade de obter informação sobre o ambiente e utilizá-la para construir dinamicamente modelos computacionais– controlam, configuram e ajustam a aplicação para melhor atender as necessidades do dispositivo ou usuário
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Instrumentos InteligentesComputação UbíquaReúne:
o alto grau de incorporação de dispositivos embarcados no ambiente da computação pervasiva
o alto grau de mobilidade da computação móvel
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Instrumentos Inteligentes
Computadores de pequeno porte e baixo consumoSensores (incluindo de posição) e Atuadores Dispositivos de interfaces com o usuário (displays, teclados, voz, ...) simples (computadores imperceptíveis)Comunicação sem fio e redes para conectar computadores e sistemas dos mais diferentes portesSistemas distribuídos e tolerantes a falhas
04/07/2004 - CEC *** 9
Computação Pervasiva e UbíquaPressupõem o uso das seguintes tecnologias:
Instrumentos InteligentesNecessidade de Novos InstrumentosSensores e Atuadores:
Além da suas funções básicas (obtenção de informações e intervenções do/no ambiente):Capacidade de processamento localAtitude reativa e colaborativa
Conectividade: redes de controle
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Instrumentos InteligentesSensores Inteligentes - algumas características:
Confluência entre transdutor, computação e comunicação:– Reduzir o custo de integrar e manter sistemas distribuídos
Levar inteligência mais perto do ponto de medida ou controle
Precisão na coleta de dados
Capacidade de comunicação
Diminuição dos custos de produção e manutenção
Aumento da confiabilidade do sistema
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SensorInteligente
Auto-calibraçãoAuto-compensaçãoAuto-validação
Funçõesintegradas
Variável medida
Dados medidos, dadosprocessados, estado do
sensor (diagnóstico),supervisão de falhas.
Saídas
Entradas
Requerimentos para a mediçãoe o processamento dasvariáveis, condições doambiente.
FieldbusInfra-estrutura para sensores inteligentes:
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Fonte: Dante Tantaleon
Rede de Controle
Instrumentos Inteligentes
Data Sheet Eletrônica
Instrumentos InteligentesInstrumentos Inteligentes - algumas vantagens:
Flexibilidade para ampliações e modificações
Maiores distâncias em relação os sistemas centralizadas
Redução do cabeamento, instalações mais simples
Ampliação do domínio de aplicações
Redução do custo total do projeto de automação
Ferramentas para instalação, teste e gerenciamento
Interoperabilidade
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Parte II – Redes de Controle
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Redes de ControleViabilizam os dispositivos interagiremSensores e Atuadores Inteligentes (nós)
+ => Controle Inteligente
Rede de Controle
Sensores: – pequenos, confiáveis, coletam informação das suas vizinhanças
Atuadores Inteligentes: – recebem ordens via rede de controle e atuam no ambiente
Vários dispositivos podem constituir um único sub-sistema autônomo
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Redes de ControleDificuldades:
Diversidade de problemas e necessidades: muitos tipos de redes e padrões => dependência da categoria de aplicação:
– Embarcadas em Veículos: • Veículos: carros, ônibus, caminhões, navios, aviões, trens, ...
– Embutidas em Ambientes• Ambientes: casas, prédios, escolas, armazéns, granjas, ...
– Redes de Sensores Sem Fio
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Redes de Controle
Redes Embarcadas em Veículos
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Redes de ControleEmbarcadas em Veículos:
Últimos anos: demanda para novos sistemas em automóveis (veículos inteligentes)
Evolução da Eletrônica Embarcada => Computador de Bordo
Objetivo: maior segurança, melhor dirigibilidade, maior conforto, maior economia, melhor desempenho, diagnóstico mais fácil, atendimento à legislação (controle de emissão)
Usam sensores, atuadores (controles inteligentes) e redes:
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Redes de ControleEmbarcadas em Veículos:
Pesquisas envolvendo veículos agrícolas:
– estimuladas pela Agricultura de Precisão
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Redes de Controle
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Fonte: Adaptado de CASE IH
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Redes de ControleEmbarcadas em Veículos Agrícolas:
Padrão utilizado: – Baseado no CAN - Controller Area Network – Origem: necessidades da indústria automotiva, inicialmente caminhões e ônibus (Bosch)– Norma ISO 11783 e ISOBUS
• Permitir interconectividade entre produtos de diversos fabricantes:– Tratores e implementos– Computadores de bordo, sensores, atuadores, ...– Grandes esforços nos EUA, Europa (e Brasil) para implantação do padrão
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Redes de Controle
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GPS
Fonte: Baseado em Alexandre de A. Guimarães
Computador de Gerenciamento
da Fazenda
Redes de Controle
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Redes de Controle
Redes Embutidas em Ambientes
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Redes de ControleEmbutidas em Ambientes:
Cada vez mais freqüentes
04/07/2004 - CEC *** Fonte: A.A.F. Loureiro et all. 25
Redes de ControleEmbutidas em Ambientes:
Pesquisas envolvendo LonWorks– LonWork (Local Operating Network):
• Desenvolvido por Echelon Corporation, esta baseado no modelo ISO/OSI de 7 camadas
• É um barramento para aplicações de controle, muito usado em automação predial
• Outras aplicações: – automação industrial, trens, aviões, automação residencial
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Objetivos Principais do padrão LonWorks:Rede de Controle distribuída, independente de microcomputador
Sensores, Atuadores e Controladores
Interfaces e Painéis, Indicadores e Displays
Sistemas interoperáveis, beneficiando Fabricantes
Integradores de Sistemas
Usuários Finais
Ser uma solução para qualquer tipo de controlePredial, Residencial, Industrial, Agrícola
Transporte (embarcados): trens, aviões, …
Redes de Controle
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Redes de ControleEmbutidas em Ambientes:
Algumas características do LonWorks– Múltiplos meios de comunicação:
• Par trançado, fibra óptica, cabo coaxial, RF, rede elétrica• Padrão aberto• Construção e programação de nós: simples (ferramentas de software + Neuron Chip)• Número ilimitado de nós em uma rede• Diversas topologias e interconexões: gateways, bridges,...• Orientada a eventos
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Redes de Controle
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Dispositivo Interruptor
NeuronChip
NV Estado Interruptor
Exemplo – Interruptor e Lâmpada
Dispositivo Lâmpada
NeuronChip
NV Estado Lâmpada
Redes de Controle
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Dispositivo Interruptor
NeuronChip
NV Estado Interruptor
Instalação
Binding
Dispositivo Lâmpada
NeuronChip
NV Estado Lâmpada
Redes de Controle
Parcerias em LonWorksConceito Tecnologia
TAC Américas/Schineider
Loytec
PureChoice
P2S Tecnologia
Redes de Controle
Redes de Controle
Redes de Sensores Sem Fio
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Redes de ControleRedes de Sensores Sem Fio (RSSF):
Objetivo:– Produzir informações com significado global a partir de dados brutos gerados por sensores individuais
Requer:– Consumo mínimo de energia e dimensões reduzidas – Protocolo de comunicação simples e eficiente– Alta tecnologia– Mobilidade:
• Nós estáticos (rede planejada) ou redes ad-hoc • Nós com mobilidade vegetativa (baterias)• Nós que se movem com o fenômeno (animais, ...)• Nós com mobilidade autônoma
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Aplicações:Militares:– Num campo contaminado biológica ou quimicamente
– Num campo de batalha, entre as linhas inimigas
Saúde e auxílio a deficientes físicos
Segurança
Na estrutura de prédios e pontes
Em veículos, aeroplanos ou espaçonaves
Em máquinas (industriais, residenciais)
Teclado virtual
Monitoração de Ambiente e Habitat – Dentro de vulcões e tornados, rios e mares (dreno de esgoto), fundo do
oceano, animais, florestas, ...
Num campo agrícola: agricultura de precisão, estufas, ...
Redes de Controle
Campo de aplicaçãode uma RSSF
Redes de Controle
Algumas aplicações no Agronegócio:Agricultura de Precisão:
Construção de mapas para:– Captura do aspecto temporal das variáveis de solo-planta-clima
• acompanhamento da saúde da planta e sua relação com a disponibilidade de nutrientes
• efeitos ambientais: impacto das gotas de chuva ou irrigação no solo, quebras de agregados de solos, exposição de raízes.
– Aplicações em taxa variável– Controle de pestes/pragas
Monitoramento Ambiental em Silos Agrícolas:– Controle da temperatura e umidade relativa do ar:
• 20% da produção nacional de grãos é perdida por falta de controle das variáveis
Redes de Controle
http://www.cnpdia.embrapa.br
Redes de Controle
Formas convencionais:
http://www.cnpdia.embrapa.br
Microprocessador Atmel – Transceiver
• 916MHz, alcançe ~20m, 4800 bps– Vida util:
• 1 semana totalmente ativo, 2 anos @1%
N
S
EW 2 Axis Magnetic Sensor
2 Axis Accelerometer
Light Intensity Sensor
Humidity Sensor
Pressure Sensor
Temperature Sensor
Berkeley COTS Dust - RF Motes
Forma possível:
Redes de Controle
Agricultura de Precisão com RSSF: ciclo de monitoração contínuo
Redes de Controle
Sucesso da Agricultura de Precisão: depende da qualidade dos mapas
Mapas variam no tempo de forma desconhecida
Redes de Controle
RSSF para Agricultura de Precisão
Fonte Dados
Sorvedouro(Observador)Fonte
Dados
Campo de sensores
Redes de Controle
RSSF em operações de campo:Permite melhorar e complementar outros dados de campo, com vantagens:
– Privilegia o aspecto temporal do dado– Infraestrutura pervasiva – Eliminação de pontos de falha únicos – Baixo custo operacional– Infra-estrutura escalável e de múltiplos usos
Existem coisas que somente uma RSSF podem proporcionar para a AP ...
Redes de Controle
RSSF em AP - Pesquisas persistentes:Retornar repetidamente valores anormais medidos pelos sensores em determinada região– Ex: Alarme de infestação por pragas
Retornar a cada 12 horas os valores medidos pelos sensores em determinada região do campo– Ex: Condição ideal do solo para plantio
Notificar sempre que 2 sensores, distantes em menos do que 5 m, medirem simultaneamente um valor anormal– Ex: Nível de infestação por praga Source: Bonnet, 2000
Redes de Controle
Construção de mapas com RSSFAtravés de pesquisa na rede, obter o valor estimado de um parâmetro de qualquer
ponto do campo, a partir das informações dos dados sensoriados• Investigar e propor soluções aos problemas de rede relacionados a essa operação
Redes de Controle
Parte III – Padronização
Padronização
Desafio aos Fabricantes de Sensores e Atuadores:
• Interfacear dispositivos com várias redes:– questão de sobrevivência
– mas é caro, exigindo muito esforço de software e hardware
• Mercado:– diversificado, muitos tipos de redes e protocolos: maiores custos
– alternativas que reduzam custos = simplificação do desenvolvimento
• Padrões universais para interligação em redes de controle:– menor tempo para a implementação dos sistemas
– menores custos
Padronização
IEEE 1451:
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IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators (STIM) Network Capable Application Processor (NCAP)
Família de normas com o objetivo de tornar mais fácil a tarefa de criar soluções baseadas nas tecnologias de rede existentes, conexões padronizadas com os dispositivos inteligentes e arquitetura de software comum.
Padronização
IEEE 1451 – Alguns objetivos:
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•Sensores e atuadores plug and play, com interface de comunicação comum, independente da rede e do fabricante
•Simplificar a criação de redes de transdutores inteligentes
•Facilitar o suporte a múltiplas redes (inclusive sem fio)
•Permitir a substituição e movimentação fácil dos transdutores
•Eliminar os erros típicos nas fases de configuração manual
•Especificação técnica eletrônica: permanece junto ao transdutor
•Modelos gerais de dados de transdutores, controle, configuração, tempo e
calibração
IEEE 1451
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Padronização
Exemplo de STIM
Exemplo de STIM
04/07/2004 - CEC *** 51
Padronização
Transdutores ligados em rede
Prof. Carlos Eduardo Cugnasca
Telefone: 11 3091 5366
www.pcs.usp.br/~laa
Informações e Contatos
Perguntas?