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Esco la Su p e rio r d e Te cn o lo g ia e G e stã o d e V ise u

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1. double dewPointFast double celsius double humidity double a 17 271 double b 237 7 double temp a celsius b celsius log humidity 100 double Td b temp a temp return Td 1 11111111111 Fun es Leitura dos dados do sensor de Luminosidade 11 111111111 1 int BH1750_Read int address int i 0 Wire beginTransmission address Wire requestFrom address 2 while Wire available buff i Wire receive receive one byte i Wire endTransmission return 1 void BH1750 Init int address Wire beginTransmission address Wire send 0x10 11x reolution 120ms Wire endTransmission Mi Fun o de apresenta o da temperatura do dispositivo 111 float printTemperature DeviceAddress deviceAddress tempC sensors getTempC deviceAddress Usado para testes Serial print Temp C Serial print tempC Serial print Temp F Anexo 5 9 Anexo 5 C digo para Arduino do TLab Serial printin DallasTemperature toFahrenheit tempC Converte temperatura C em Fahrenheit return tempC void mediaTemperature DeviceAddress deviceAddress float acomulado for int contador 0 contador lt numberOfSample contador acomulado acomulado sensors getTempC deviceAddress float media acomulado numberOfSample Serial print Temp C Serial printIn media MMMM Fun o apresentar o
2. 2 4 Redes sem Fios As recomenda es do IEEE nomeadamente as recomenda es da s rie IEEE 802 11 s o o exemplo mais conhecido para os protocolos de redes sem fio sendo considerada a exist ncia de quatro grandes grupos e WPAN Wireless Personal Area Network Neste grupo podem se encaixar as tecnologias sem fios de pequeno alcance entre 10 e 100 metros um protocolo para redes locais definido pelo IEEE 802 15 para o endere amento de redes sem EEE Institute of Electrical and Eletronics Engineers 10 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados fio que utilizam dispositivos port teis ou m veis tais como PCs PDAs perif ricos telefones sem fios entre outros e WLAN Wireless Local Area Network Enquadram se aqui as tecnologias sem fio destinadas interliga o de redes locais com alcance entre 100 e 300 metros Este protocolo complementa as redes tradicionais por cabo par de cobre ou fibra tica funcionando como extens o ou alternativa e WMAN Wireless Metropolitan Area Network Neste grupo tem se as tecnologias utilizada pelos operadores de telecomunica es que tratam dos acessos de banda larga para redes em reas metropolitanas com alcance aproximado de 6 a 10km conhecidas tamb m por anel local e WWAN Wireless Wide Area Network Este grupo engloba as tecnologias voltadas para as redes de longa dist ncia para telecomunicac es utilizada pelos operadores de telec
3. Ajusta a resolu o para 9 bit Cada sensor Dallas Maxim podem ter diferentes resolu es sensors setResolution tempDevice Address TEMPERATURE PRECISION Serial print Resolucao atual ajustada Serial print sensors getResolution tempDevice Address DEC Serial printin else Serial print Encontrado um suposto dispositivo em Serial print i DEC Serial print mas nao foi poss vel verificar o endere o Verifique a alimentacao e cabos Menuentrada s usado para testes PHM Fim setup IM ST PMMA Noid loop Corpo do programa 1 111111 void loop numberOfSample 10 LerDHT110 LerBHL7500 LerDS180 IHI Zona de Menuentrada s para testes de instal o if Serial available lt 0 uint8_t letra Serial read switch letra switch letra case h LerDHT11 Menuentrada break Anexo 5 3 Anexo 5 C digo para Arduino do TLab case l LerBHL7500 Menuentrada break case t LerDS18 Menuentrada break case r LerDHT11 LerBHL7500 LerDS18 Menuentrada break default Serial printin Opcao incorreta PMMA Fim do corpo do programa principal III Pi Procedimentos de Leitura das sondas IES Leitura das sondas DHT11 Temperatura e Humidade Relativa 1 11111 void LerDHT11 Serial printin Temperatura e Humidade Serial println n in
4. es sob as quais o trabalho executado Nota Incluem se nestas condi es os fatores f sicos sociais psicol gicos e ambientais tais como a temperatura os sistemas de reconhecimento os aspetos ergon micos e a composi o do ar atmosf rico Os aspetos do ambiente de trabalho que podem afetar a qualidade do produto podem variar consideravelmente dependendo da natureza das atividades da organiza o Numa situa o de manufatura convencional podem incluir n veis de ru do limpeza arruma o vibra o ilumina o frequ ncias de oscila o temperatura poeira e humidade Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados CL USULA 7 6 CONTROLO DOS DISPOSITIVOS DE MONITORIZA O E MEDI O O objetivo principal desta cl usula determinar que qualquer equipamento ou Dispositivos de Monitoriza o e Medi o DMM utilizados para monitorizar e ou medir a conformidade do produto estejam aptos a fornecer resultados v lidos A conformidade do produto pode ser realizada por um dos m todos seguintes e Por observa o direta dispositivos de monitoriza o que pode incluir a utiliza o de dispositivos como c maras de v deo equipamento de grava o entre outros que podem necessitar de manuten o peri dica e verifica o de funcionamento para assegurar a sua adequa o continuada e Por medi es peri dicas das caracter sticas dispositivos de medi o do produto ou de par metros do proce
5. de 50 ou seja existe uma redu o de 50 do valor de medi o em rela o medi o sem janela ent o a influ ncia da janela tica anulada alterando a sensibilidade padr o para o dobro Se o tempo padr o de medi o rondar os 120 ms tempo que comum para estes sensores ap s a calibra o o tempo passa ent o para 240 ms Esta calibra o consegue se alterando o valor do registo MTreg Este procedimento pode ser consultado no manual t cnico do fabricante Na integra o deste sensor de luminosidade como Interface TLab foi usada uma placa de acoplamento para sensores que como j se referiu anteriormente disponibiliza um terminal especifico com ligadores de quatro fios facilitando muito na fase de desenvolvimento Os valores de luminosidade obtidos resultam de procedimentos que fazem parte da aplica o desenvolvida e instalada no Arduino em conjunto com a biblioteca Wire h disponibilizada pelo fabricante 48 MTreg Measurement Time Register 49 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados 3 6 Sensor de Temperatura e Humidade DHT11 Este sensor DHT11 possui um sensor complexo de temperatura e humidade com uma sa da de sinal digital Usa uma tecnologia sensorial de aquisig o de sinal digital para temperatura e humidade que assegura uma fiabilidade e estabilidade a longo prazo A Figura 3 22 mostra o sensor DHT11 evidenciando os tr s pinos para liga o Figura 3 2
6. 2012 ATmega640 1280 1281 2560 2561 5 Nuno Pessanha Santos ASPOF EN AEL Escola Naval Marinha 2009 Online http www isegi unl pt docentes vlobo escola_naval MFC Tutorial 20Arduino pdf Acedido em Abril 2012 6 Brian W Evans Arduino Programming Notebook 2008 7 Dallas Semicondutor Corp Online http www maxim ic com products 1 wire Acedido em Abril 2012 8 Maik Schmidt Arduino a Quick Start Guide Susannah Davidson Pfalzer 2008 9 Jonathan Oxer Hugh Blemings Practical Arduino Technology In Action 10 ROHM Semiconductor Rev 2011 Outubro BH1750FVI Digital 16 bit Serial OutPut Type Ambiente Light Sensor IC 11 Digi Internacional Inc 2008 Setembro XBee OEM RF Modules Product Manual Online http ftp1 digi com support documentation 90000982 A pdf Acedido em Junho 2012 12 APCER Associa o Portuguesa de Certifica o Guia Interpretativo ISO 9001 2000 2003 13 Inc Maxim Integrated Products Datasheet DS18B20 DS18B20 Programmable Resolution 1 Wire Digital Thermometer 14 Pessanha Santos http www isegi unl pt docentes vlobo escola_naval MFC Slides 20Arduino pdf Online http www isegi unl pt docentes vlobo escola_naval MFC Tutorial 20Arduino pdf Acedido em Abril 2012 15 Jos Mauricio Santos Pinheiro As Redes Com ZigBee no Redes sem fios Julho 2004 69 ANEXOS 71 Anexo 1 Modelos de Arduino Existentes no
7. Caracter sticas Sensor DS18B20 Especifica es do Sensor DS18B20 Tabela 2 Temperature Sensors Smallest Temp Available Part Sensor interface Accuracy Parasite Temp Resolution Multi Oper Pckg Number Type EC Pwr Thresh Droppable Temp C mm2 bits Wain 9 10 DS18B20 Local 1 Wire 0 5 Yes Pao Yes 55to 125 15 6 11 12 Tabela 2 Caracter sticas do sensor DS18B20 Modelos e caracter sticas especificas PART TEMP RANGE PIN PACKAGE TOP MARK DS18B20 55 C to 125 C 3 TO 92 18B20 DS18B20 55 C to 125 C 3 TO 92 18B20 DS18B20 T amp R 55 C to 125 C 3 TO 92 2000 Piece 18B20 DS18B20 T amp R 55 C to 125 C 3 TO 92 2000 Piece 18B20 DS18B20 SL T amp R 55 C to 125 C 3 TO 92 2000 Piece 18B20 DS18B20 SL T amp R 55 C to 125 C 3 TO 92 2000 Piece 18B20 DS18B20U 55 C to 125 C 8 uSOP 18B20 DS18B20U 55 C to 125 C 8 uSOP 18B20 DS18B20U T amp R 55 C to 125 C 8 USOP 3000 Piece 18B20 DS18B20U T amp R 55 C to 125 C 8 USOP 3000 Piece 18B20 DS18B20Z 55 C to 125 C 8 SO DS18B20 DS18B20Z 55 C to 125 C 8 SO DS18B20 DS18B20Z T amp R 55 C to 125 C 8 SO 2500 Piece DS18B20 DS18B202Z T amp R 55 C to 125 C 8 SO 2500 Piece DS18B20 Tabela 3 Modelos e caracteristicas Anexo 2 1 Anexo 3 Caracter sticas do Sensor DHT11 ANEXO 3 Caracter sticas do Sensor DHT11 Especifica es do Sensor DHT11 Tabela
8. como por exemplo LCD s e telem veis Com o objetivo de reduzir o consumo energ tico s o utilizados para detetar o n vel de luminosidade A Figura 3 18 apresenta um exemplo do m dulo sensor de luminosidade BH1750FVI Figura 3 18 M dulo sensor de luminosidade BH1750FVI 3 5 1 Comunica o PC A comunica o s rie s ncrona PC implementada por apenas dois fios condutores Num condutor faz se a transmiss o dos bits de dados e conhecido por SDA e o outro condutor designado por SCL utilizado como um sinal de rel gio O pacote de dados enviado pela linha do PC cont m o endere o que permite definir qual o dispositivo que deve responder a determinada solicita o O barramento PC foi definido de tal forma que permitiu que diversos circuitos integrados de conce o e modelos diferentes pudessem ser integrados numa mesma aplica o Foram introduzidos pequenos filtros na parte recetora dos circuitos integrados para reduzir problemas com os ru dos Foi ainda desenvolvido de forma a possibilitar que circuitos integrados mais lentos possam adiar por breves instantes o envio do pacote de dados por forma a libertar as linhas de comunica o para dispositivos mais r pidos Este barramento de comunica o amplamente usado em sistemas eletr nicos relacionados E eos 4 4 com imagem e som no controlo e processamento de sinais por exemplo VGA e HDMI 2 an O sucesso do FC deve se principalmente versatil
9. o sendo que todas as atividades que afetam a qualidade do produto que fornece t m de ter cobertura total Se por exemplo uma organiza o for respons vel pela transforma o das necessidades expectativas e ou requisito do cliente num conjunto de caracter sticas ou especifica es de produto ou servi o ent o de acordo com a defini o 3 4 4 da ISO 9000 2000 trata se de conce o e desenvolvimento de produto que pode ter impacto direto na satisfa o do cliente Se por algum motivo a organiza o deixa este processo fora do mbito do SGQ h o risco mesmo que o produto cumpra as especifica es de que n o possa ser atingida a satisfa o do cliente porque as especifica es poder o n o refletir de forma adequada as suas reais necessidades expectativas e ou requisitos Para o sistema que aqui se pretende desenvolver vamo nos debru ar num requisito de m xima import ncia no processo de produ o numa organiza o no mbito do SGQ referenciado na ISO 9001 2000 pela CL USULA 7 6 Controlo dos dispositivos de monitoriza o e de medi o Adicionalmente a CL USULA 6 4 Ambiente de Trabalho que define o conjunto de condi es sob as quais o trabalho executado Vamos abordar esta ltima apenas no seu essencial tendo em conta os nossos objetivos CL USULA 6 4 AMBIENTE DE TRABALHO A ISO 9000 2000 define ambiente de trabalho como defini o 3 3 4 da norma o conjunto de condi
10. 4 Medi o Liga o Humidade Relativa 20 90 HR 5 RH 1 a com ios Gama de Medi o Precis o Resolu o Temperatura 050 HC 1 Tabela 4 Caracter sticas Gerais DHT11 Na seguinte tabela disponibilizada pelo fabricante podem ser analisadas mais em pormenor as caracter sticas do sensor DHT11 Parameters Conditions Minimum Typical Maximum Humidity Resolution 1 RH 196RH 1 RH E 8 Bit Repeatability 196RH Accuracy 25 496RH 0 50 E5 RH Interchangeability Fully Interchangeable Measurement oc 30 RH 90 RH Range 257 20 RH 90 RH sc 20 RH 80 RH Response Time 1 e 63 25 C 65 105 155 Seconds im s Air Hysteresis 1 RH Long Term Typical 1 RH year Stability Temperature Resolution 1 1C 1 8 Bit 8 Bit 8 Bit Repeatability 10 Accuracy 10 2U Measurement oc 50 Range Response Time 1 e 63 65 305 Seconds Tabela 5 Especifica es T cnicas do DHT11 Anexo 3 1 Anexo 4 Caracter sticas do M dulo XBee ANEXO 4 Caracter sticas dos M dulos Xbee Especificac es dos m dulos XBee Tabela 6 XBee XBee Pro Pot ncia de sa da 1 mW 0 dBm 60 mW 18 dBm Alcance interior at 100 m Alcance Exterior at 100 m at 1600 m Sensibilidade do 100 dBm receptor opera o Taxa de transmiss o 250 kbps Taxa de dados da 115 2 kbps Interface Tens o de alimenta o 2 8
11. Capitulo 1 Introdu o feita uma contextualiza o do tema da disserta o na atualidade abordada a necessidade cont nua de medi o e controlo de todas as fases produtivas de forma a garantir as necessidades impostas pelos sistemas de qualidade No Cap tulo 2 Sistemas de aquisi o de dados feita uma abordagem sum ria Norma ISO 9000 assim como dada uma panor mica geral dos sistemas de monitoriza o e controlo atualmente comercializados fazendo refer ncia s principais caracter sticas e formas de integra o Faz se ainda uma abordagem ao protocolo de comunica o ZigBee No Capitulo 3 Implementa o de um sistema de aquisi o de dados efetua se uma abordagem tecnologia utilizada para al m de serem apresentadas as raz es que levaram sua escolha para o desenvolvimento deste projeto descrito todo o equipamento sensores m dulos de comunica o e placas adaptadoras utilizadas para o desenvolvimento do projeto assim como se descreve o modo de funcionamento do sistema desenvolvido Abordam se ainda os resultados obtidos No Cap tulo 4 Conclus o e desenvolvimentos futuros fazem se as considera es finais de todo o projeto onde se real am as qualidades e vantagem do sistema desenvolvido bem como s o tecidas algumas sugest es para desenvolvimentos futuros Nesta disserta o pelo facto de se abordar uma rea tecnol gica em que a literatura anglo sax nica abundan
12. IDE cuna iil ada 38 Figura 3 10 Exemplo de m dulo Xbee Shield VOB ea 39 Figura 3 11 Exemplo de m dulo Shield XBee Pro VII 39 Figura 3 12 Liga o de dispositivos One Wire eseseseseeesessesseseresressrserssressesnrssrersersresressesee 40 Figura 3 13 Configura es e pinos dos sensores DS18B20 7 42 Figura 3 14 Diagrama de Blocos do DS18B20 ra 42 Figura 3 15 Liga o El trica dos Dispositivos DSI8B20 43 Figura 3 16 Estrutura da Mem ria SCRATCHPAD 44 Figura 3 17 Extrato do Cabe alho vvuuivippinn il dis 44 Figura 3 18 M dulo sensor de luminosidade BH1750FVI 46 Figura 3 19 Diagrama de Blocos do sensor BH1750FV1 47 Figura 3 20 Configura o do sensor BH1750FVI e o Pinout no 48 Figura 3 21 Interliga o do sensor BH1750FVI com o ArdUlMO ooocococononcnonnnonnnononcnnnccancnnnnos 49 Figura 3 22 Sensor DE TEL o es 50 Figura 3 23 Comunica o Single Wire Two Way errar 51 Figura 3 24 Diagrama de liga es do dispositivo DHTIL eeeeeeeeeneeenseceteeneeeeenees 52 Figura 3 25 Configura o Do Sensor DHTI1 renan 52 Figura 3 26 Liga o do sensor DHT11 a0 Arduino rea 53 XI Fig ra 3 27 M dulo Abe dida 54 Fig ra 3 28 Pstrutura da A adie ae eee ead aS 55 Figura 3 29 Formato dos comandos AT eseeeseseesessesese
13. a identifica o do dispositivo assim como bits de verifica o Checksum para que o mestre possa validar a informa o recolhida Desta forma assegurada a fiabilidade da comunica o dos dados A faixa de temperatura de funcionamento de 55 Ca 125 C e uma precis o de 0 5 C no intervalo de 10 Ca 85 C 3 4 1 Caracter sticas Principais Seguidamente enumeram se algumas caracter sticas dos sensores de temperatura DS18B20 que determinaram a sua utiliza o neste trabalho e O interface de Comunica o One Wire requer apenas uma porta um pino para a Comunica o e Cada dispositivo tem um c digo nico de s rie de 64 Bits armazenado numa ROM On Board e A capacidade de multiponto simplifica a aplicabilidade de sensores de temperatura nas aplica es e N o necessita de componentes externos e Pode ser alimentado a partir da linha de dados a faixa de alimenta o de 3 0V a 5 5V e Mede temperaturas entre 55 C a 125 C 67 F a 257 E e Tem uma precis o de 0 5 C entre 10 C a 85 C e A resolu o do term metro selecion vel pelo utilizador a partir de 9 a 12 Bits e Converte valores digitais de temperatura de 12 Bits num tempo m ximo de 750ms e Configura o n o vol til feita pelo utilizador e Para gerir os alarmes de temperatura existe um comando de pesquisa de alarmes que identifica e aborda os dispositivos cuja temperatura est fora dos limites program
14. atrav s deste pino ou funcionar como sa da de tens o quando a placa estiver a ser alimentanda por outra das formas de alimenta o e 5V Fornecimento de alimenta o regulada a 5V para dispositivos externos e V3 Alimenta o de 3 3V para dispositivos externos gerada pelo circuito integrado FTDI A corrente m xima que pode fornecer 50 mA e GND Pinos terra e Pino Digital 13 do Arduino O Ardu no possui ainda um led ligado ao pino da sa da digital 13 incorporado na pr pria placa podendo servir para testes ou outras finalidades sem necessidade de recorrer a montagens externas Este pino revelou se bastante til 3 3 6 Desenvolvimento de Aplica es no Arduino A linguagem de programa o utilizada com o Arduino uma implementa o do Wiring sub conjunto da linguagem C e baseada no ambiente de programa o Processing Trata se de uma linguagem de programa o de c digo aberto e ambiente de desenvolvi mento integrado que suporta programa o gr fica A filosofia subjacente plataforma Arduino a sua f cil utiliza o at por pessoas que n o s o das reas de eletr nica e inform tica Assim a grande contribui o do projeto em si justamente a facilidade de utilizar a eletr nica e a inform tica como meio para o desenvolvimento de objetos interativos sem que se precise conhecer aprofundadamente as partes internas de um microcontrolador e como aceder aos seus perif rico
15. dados que circulam na rede devem ser implementadas aplica es que disponibilizem o acesso atrav s da internet utilizando um navegador Web ou outro aplicativo assim como ter acesso aos dados atrav s de uma rede local Por m n o faz parte do mbito da especifica o do ZigBee a defini o de tais aplica es nem de tais dispositivos Contudo o protocolo define uma estrutura de trabalho framework cujo objetivo facilitar o desenvolvimento de aplica es al m de incentivar um certo n vel de padroniza o das mesmas Por outro lado no mbito deste projeto desenvolveram se aplica es para a utiliza o efetiva da tecnologia ZigBee Para isso criou se o Interface TLab do qual fazem parte alguns elementos sensoriais que ser o integrados nos equipamentos industriais Este dispositivo dever por sua vez conter um software capaz de empregar a tecnologia ZigBee de forma a disponibilizar os benef cios desejados do sistema A uni o de hardware e software feita de acordo com esta premissa constituir a aplica o que ir gerir o fluxo de dados proveniente dos sensores assim como da pr pria rede Os seus elementos nas suas componentes de hardware e software ser o descritos detalhadamente mais frente neste cap tulo Ser o tamb m descritos os diversos tipos de sensores utilizados neste projeto Numa primeira fase fizeram se algumas tentativas de utiliza o de sensores anal gicos simples como PT100 para me
16. de Dados cccoooccccnoccnonucccnoncnnnno 25 Sul o eso Sa Sa NL ER da a a Soe SiR ated at Wig ot 25 3 2 Raz es Para a Escolha do ARDUINO 2000 Hea ie SERA SOR eR 26 O Hardware do ATQUINO AA e a a Da eo aa da 28 Die A A e RR BERRO E EDER CRIE RD 29 3 32 AIM MIC Sonata asa 0 ca q 30 3 3 3 Arduino FIO usina ida 31 3 3 4 Outras Plataformas Arduino scsi a 32 3 3 5 Funcionamento do Arduino cccononnnocccnnnnonononeninocccnnnnononnnnnnccnnncnononennnnrccccnconononos 32 3 3 6 Desenvolvimento de Aplica es no ATQUINO ccoocccconcccnonocinonanononononnncnonnncninnnnno 36 3 37 MES ATAN MO nad dada OUR a E dunia canas 38 3 38 ABE Medi 39 3 4 Sensor Digital de Temperatura DS18B20 ooooncccnnncccnococinonccononcnononanononcconnncnconnncnnnnos 40 SA Caracteristicas PUC id 41 3 4 2 Implementa o e FUNCIONAMENTO iii 42 3 5 Sensor de Luminosidade BH1750FVI1 oia eet ee anew aes 45 ES o a a a a e aSa 46 3 3 2 Caracteristicas Principals aa TA EE E E E ERA 47 3 5 3 Diagrama de Blocos e Configura o F SiCA ooooncccnnnccinoncccnoncnonnnnnononnconananonnnanos 47 3 5 4 Implementa o e Funcionamento emoci n 48 3 6 Sensor de Temperatura e Humidade DHT 50 361 COMUNICA O Ei 50 3 6 2 Caracteristicas ori costa nic ini dd iaa nico ita 51 3 6 3 a Digac es e C ONIMSUTACAO 56 47 iseia fo aaa af OS a 52 3 6 4 Implementa o e Funcionamento id 52 3 7 M dulo de Comunica o A a in rias aa 54 pda O A E O N 54 A A ae E as
17. dos m dulos Cada mensagem difundida na rede ZigBee estruturada por uma trama que cont m informa es pertinentes para uma garantia de comunica o na rede Esta estrutura est representada na Figura 3 28 use LSB API specific Structure ER Figura 3 28 Estrutura da trama Assim o conjunto de dados difundidos na rede composto pelos seguintes campos e Byte indicador de in cio da trama Start Delimiter e Dois bytes que indicam o tamanho da mensagem Frame Data Length e Estrutura composta pelo tipo de comando e mensagem Frame Data o Tipo de comando API Identifier AT Remote Request Remote Response entre outras o Conte do da trama com a estrutura interna de dados que varia de acordo com o tipo de comando que utilizado Identifier specific Data e Byte que valida a integridade da trama Checksum 3 7 4 Comandos AT API De acordo com a documenta o disponibilizada pelo fabricante as mensagens podem ser de dois tipos e cada tipo de mensagem possui diferentes tipos de comandos que podem ser usados para interagir com os m dulos 55 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados e AT Command este tipo de comando usa se quando se pretende enviar diretamente uma mensagem para o coordenador da rede Isto tratar se de um dispositivo final em que a sua mensagem ter apenas como destinat rio o coordenador Por isso n o necess rio especificar o endere o d
18. foi desenhado e criado especialmente para ser utilizado em comunica es sem fios com os m dulos de comunica o XBee Utiliza um microcontrolador ATmega 328P a 8Mhz e funciona com uma alimenta o de 3 3V composto por 14 pinos digitais de entrada sa da em que 6 podem ser usados como sa das PWM 8 entradas anal gicas e um bot o de reset Disponibiliza ainda uma liga o para uma bateria de l tio e um circuito de carga atrav s de uma liga o USB Incorpora um XBee socket na pr pria placa n o sendo por isso necess rio qualquer outro acess rio para liga o a um m dulo XBee Figura 3 3 Figura 3 3 Arduino Fio O Arduino Fio tem igualmente uma s rie de facilidades de comunica o com outros dispositivos a computadores outros Arduinos ou outros microcontroladores O microcontrolador fornece uma comunica o s rie UART TTL a qual est dispon vel nos pinos digitais O RX e 1 TX Tendo em conta as suas caracter sticas um pouco mais limitadas em alguns aspetos e no seu pre o esta plataforma n o foi usada neste projeto No entanto e ap s o desenvolvimento do sistema n o ser de excluir uma poss vel integra o de placas deste tipo Pois podem em determinadas circunst ncias ser mais adapt veis devido ao seu tamanho e ao facto de disporem de facilidades no que se refere alimenta o do sistema nomeadamente no que se refere sua autonomia 35 SPI Serial Peripheral Interface 36 DC Inter Inte
19. o de dados TLab desenvolvido no mbito deste trabalho As necessidades espec ficas dessas ind strias determinaram algumas decis es com vista a atingir os objetivos deste projeto Essas decis es determinaram a elabora o de um prot tipo funcional com grande capacidade adaptativa de f cil instala o e conce o e acima de tudo de baixo custo sem nunca esquecer a qualidade e fiabilidade dos seus resultados Nesse sentido escolheu se o micro controlador Arduino Mega Atmega 2560 devido s suas caracter sticas que iremos abordar neste cap tulo assim como a exist ncia de algumas placas que facilitam a integra o dos m dulos de comunica o e dos sensores de aquisi o O Arduino Mega disponibiliza um grande n mero de entradas e sa das o que conveniente numa fase de desenvolvimento considerando futuras amplia es No entanto um qualquer outro modelo do Arduino seria aplic vel e de uma forma geral at mais econ mico 25 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados Para a comunica o sem fios selecionaram se os m dulos XBee da s rie II e XBee Pro Genericamente estes m dulos s o iguais diferindo apenas na pot ncia do sinal de transmiss o O protocolo ZigBee utilizado por estes m dulos permite s por si a criag o de uma rede de comunicag o de dados No entanto para que se possa tirar proveito da sua utilizag o no que se refere visualiza o e gest o de
20. o e armazenamento de produtos quer alimentares quer para a ind stria farmac utica sa de s o vastas Alguns dos equipamentos que existem no mercado permitem apenas a monitoriza o de um n mero limitado de grandezas como o referido na sec o 2 5 2 a o que restringe bastante a sua aplicabilidade a processos mais variados Outros s o bastante mais vers teis com a possibilidade de medi o de grande n mero de grandezas No entanto s o pouco atrativos do ponto de vista econ mico e normalmente apresentam uma grande depend ncia t cnica no que se refere instala o conserva o e amplia o T m montagens complexas e baseiam se em redes de cabos Por outro lado existem sistemas muito espec ficos vocacionados unicamente para determinadas atividades produtivas ou econ micas com caracter sticas extremamente r gidas 23 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisic o de Dados 3 1 Introdu o Neste cap tulo descreve se a tecnologia utilizada e apresentam se as raz es que levaram sua escolha para o desenvolvimento deste projeto Ser o ainda descritas todas as caracter sticas relevantes dos dispositivos utilizados Considerando que dentro da mesma tecnologia a gama de solu es bastante vasta procurou se focalizar a aten o nas solu es mais vi veis para se atingirem os objetivos pretendidos A ind stria laboratorial e alimentar s o os potenciais utilizadores do sistema de aquisi
21. 2 Sensor DHT11 Este sensor inclui um elemento sensorial de humidade tipo resistivo e um do tipo NTC que faz a medig o da temperatura associado a um microcontrolador r pido de 8 bits Este conjunto permite uma resposta r pida com alguma imunidade a interfer ncias e com uma boa rela o custo benef cio Cada componente DHT11 calibrado em laborat rio o que o torna bastante preciso na medi o de humidade conforme se pode ver nas caracter sticas t cnicas no ANEXO 3 Os coeficientes de calibra o s o armazenados na mem ria interna do sensor para serem utilizados no processamento inerente ao processo de medi o O interface s rie de um nico fio torna a sua integra o muito r pida e f cil O seu tamanho reduzido o baixo consumo de energia e a transmiss o do sinal a mais de 20 metros apresentam no como a melhor escolha para v rias aplica es 3 6 1 Comunica o S rie O interface s rie de dados atrav s de um nico fio usado para comunica o e sincroniza o entre o micro controlador e o sensor DHT11 Este processo de comunica o feito em cerca de 4ms como se ilustrado na Figura 3 23 O processo de comunica o inicia se quando o microcontrolador envia o sinal de in cio start signal para o sensor alterando o estado da linha para o modo de funcionamento O microcontrolador fica ent o a aguardar a comunica o de resposta do sensor Este envia ao microcontrolador um sinal de resposta com 40 b
22. 5V e ligou se um fio para o vcc do sensor assim como se interligaram os GND Para fluxo de dados utilizou se o terminal digital 18 como linha de dados como se mostra na Figura 3 26 Figura 3 26 Ligag o do sensor DHT11 ao Arduino A biblioteca do sensor DHT11 permite efetuar a gest o de erros como por exemplo a valida o dos dados Isto se a resposta a um pedido de leitura de temperatura devolver uma resposta v lida a vari vel de controlo toma o valor de zero que significa que os dados est o corretos isto importante e servir futuramente para controlar poss veis falhas do sensor como se mostra no seguinte extrato do programa PE N alidag o dos Dados da Sonda DAT1 1 0 0 1 11111 1 switch chk case 0 Serial printIn Dados Corretos break case 1 Serial printIn Erro nos Dados break case 2 Serial printin Tempo de leitura excedido break default Serial println Erro desconhecido break A obten o do valor de temperatura no sensor de DTH11 feita pela chamada da fun o de leitura do terminal da linha de dados A partir da todo o processo se desenrola de forma semelhante como foi explicado anteriormente a biblioteca que gere todo esse processo e mais uma vez se mostra aqui a simplicidade de utiliza o deste dispositivo 53 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados 3 7 M dulo de Comunica o XBee 3 7 1 Introdu o O m dulo de
23. Dados O microprocessador promove a monitoriza o e ajuste cont nuos das condi es de opera o da c mara assegurando o controlo otimizado da temperatura e minimizando o consumo de energia Figura 2 10 Sistema Cryocell DD86 750 Este sistema possui algumas caracter sticas interessantes das quais se destacam Possui uma fun o de seguran a com prote o para arranque Set point e defini es de alarmes Possibilita a programa o de alarmes independentes para temperatura m xima e m nima Permite ajustes de temperaturas em intervalos de 1 C Possui uma fun o de prote o do compressor que monitoriza e ajusta automaticamente as condi es do equipamento aumentando a sua vida til Permite carga autom tica e cont nua da bateria de backup que possibilita o funcionamento integral do sistema durante falhas de energia Monitoriza o estado da grelha de condensados Monitoriza o do sistema de backup de CO 13 isto o sistema permite identificar a falta de fornecimento de energia el trica e come a automaticamente o fornecimento de CO l quido ou nitrog nio l quido dentro da c mara de refrigera o mantendo a na temperatura previamente selecionada pelo utilizador 19 CO Di xido de Carbono 22 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados 2 6 Considera es Pode se concluir que as solu es para a monitoriza o de ambientes controlados ou de equipamentos de conserva
24. Fo E H Figura 3 20 Configura o do sensor BH1750FVI e o Pinout 3 5 4 Implementa o e Funcionamento Como j foi referido anteriormente este dispositivo tem uma implementa o muito simplificada ao utilizar a comunica o BUS DC Assim o sensor tem um par de fios para comunica o e outros dois que se destinam sua alimenta o Deste modo no nosso caso podemos ligar diretamente ao microcontrolador Arduino utilizando os seus terminais de alimenta o 5V e GND para alimentar o dispositivo e utilizar dois terminais anal gicos por exemplo os terminais 4 e 5 para ligar SDA e SCL do sensor BUS I2C Pode se ainda caso se disponha de um shield para liga o de sensores ligar diretamente a uma das entradas deste do tipo I2C como se ilustra na Figura 3 21 48 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados Figura 3 21 Interliga o do sensor BH1750FVI com o Arduino A utiliza o destes dispositivos integrada em diversos equipamentos obriga frequentemente utiliza o de janelas ticas isto aberturas para a entrada de luz que por vezes s o protegidas com materiais transparentes Estes materiais alteram um pouco a quantidade de luz que chega at ao sensor torna se necess rio efetuar um ajuste da sensibilidade do sensor A anula o da influ ncia da janela tica poss vel atrav s do ajuste do tempo de medi o Por exemplo quando a taxa de transmiss o da janela tica
25. I Future Technology Devices conversores RS232 para USB 30 DFU Device Firmware Update 31 SDA Serial Data Line 29 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados de referenciar valores de tens o para dispositivos alimentados pela pr pria plataforma Esta altera o prende se com a utiliza o do microprocessador Atmega 16U2 que substitui o 8U2 No que se refere comunica o o Arduino Uno apresenta uma facilidade de comunica o podendo atrav s da porta s rie UART TTL 5V comunicar facilmente com um computador com outro Arduino ou com outro microcontrolador O ATmegal68 disponibiliza esta comunica o atrav s dos pinos RX TX e poss vel ligar o Arduino a um computador pois o software do integrado disponibiliza uma porta s rie virtual 3 3 2 Arduino Mega O Arduino Mega 2560 uma atualiza o do Arduino Mega 1280 em que a principal diferen a o tamanho da mem ria Esta atualiza o baseia se no microcontrolador ATmega 2560 4 composto por 54 pinos digitais de entrada sa da 16 entradas anal gicas 4 portas de comunica o s rie UARTs um oscilador de cristal de 16 MHz uma liga o USB uma entrada de alimenta o uma liga o ICSP e um bot o de reset como se representa na Figura 3 2 Contem portanto os dispositivos essenciais para suportar o microcontrolador Conforme as vers es antecessoras basta um cabo de liga o USB e o software de desenvolvimento par
26. Mercado ANEXO 1 Modelo de Arduino Existentes no Mercado Neste anexo apresentam se alguns modelos de Arduino que existem no mercado alguns destes modelos t m aplica es muito espec ficas como o caso do Arduino LilyPad Figura Anexo 1 2 1 Arduino LEONARDO Figura Anexo 1 1 Baseada no microcontrolador ATmega32u4 e Tem 20 entradas sa das digitais das quais 7 podem ser usadas como sa das PWM e 12 como entradas anal gicas Um oscilador de cristal de 16 Mhz Uma liga o USB uma entrada de alimenta o uma liga o ICSP Um bot o de reset MATADO NUNS nd mt td ra t DIGITAL PWM E OO LEONARDO Figura Anexo 1 1 Arduino Leonardo 2 Arduino LilyPad Figura Anexo 1 2 Microcontrolador projetado para ind stria t xtil vestu rio Pode ser costurada ao tecido e da mesma forma integrar fontes de alimenta o sensores e atuadores e Baseada no microcontrolador ATmegal68V ou ATmega328V Figura Anexo 1 2 Arduino Lily Pad Anexo 1 1 Anexo 1 Modelos de Arduino Existentes no Mercado 3 Arduino Ethernet Figura Anexo 1 3 Anexo 1 2 Baseada no microcontrolador ATmega328 Tem 14 entradas sa das digitais e 6 entradas anal gicas Um oscilador de cristal de 16 Mhz Uma liga o RJ45 uma entrada de alimenta o uma liga o ICSP Um bot o de reset e hb Figura Anexo 1 3 Arduino Ethernet Anexo 2 Caracter sticas do Sensor DS18B20 ANEXO 2
27. V a 3 4V Corrente de transmiss o 215 mA O 3 3 V tipica Corrente de Recep o 55 mA 3 3 V t pica Corrente em modo Sleep Dimens es 2 438cm x 2 761cm 2 438 cm x 3 294 cm Peso Temperatura de 40 a 85 C industrial opera o Tabela 6 Caracter sticas m dulo XBee Modelos e caracter sticas espec ficas dos m dulos XBee Specifications Networking Features Power Maximum no Product Frequency RF Data Rate Protocol Multipoint Mesh Output Range XBee ZB 2 4 GHz 1 25 2 mW 120m 250 Kbps ZigBee w XBee PRO ZB 2 4 GHz 63 mW 3 2 km 250 Kbps ZigBee wf XBee ZB SMT 2 4 GHz 3 1 6 3 mW 1200 m 250 Kbps ZigBee w XBee PRO_ZB SMT 2 4 GHz 63 mW 3 2 km 250 Kbps ZigBee pl Anexo 4 1 Anexo 4 Caracter sticas do M dulo XBee XBee 802 15 4 2 4 GHz 1mW 90 m 250 Kbps 802 15 4 W XBee PRO 2 4 GHz 63 mW 1 6 km 250 Kbps 802 15 4 XBee PRO 900 MHz 100 mW 24 km 9 6 Kbps Proprietary el XSC 900MHz 50mW 10 km 156 Kb DigiMesh m S 1 e DigiMesh 900 E E XBee DigiMesh 2 4 GHz ImW 90m 250 Kbps 2 4 D 2 4 GH 63 mW 1 6 km 250 Kb DigiMesh ce Zz m el S 1 e DigiMesh 2 4 E ag s XBee Wi Fi 2 4 GHz 16 dBm 300 m 65 Mbps 802 11bgn wf XBee 865LP 865MHz 12dBm 4km 80 kbps Anexo 4 2 Anexo 5 C digo para Arduino do TLab ANEXO 5 C digo para Arduino do TLab Neste anexo est transcrito o c digo em linguagem C para Arduino instalado nos Interfaces TLab Existem algumas fun es e procedimentos que se d
28. XBee disp e de uma pot ncia de ImW e um alcance que varia entre os 100m e os 30m em campo aberto ou no interior de edif cios respetivamente Enquanto o XBee Pro opera com uma pot ncia de 60mW o que lhe permite alcan ar um raio de transmiss o at 1 6km ou 100m tratando se de campo aberto ou no interior de edif cios respetivamente Em termos de consumo s o dispositivos que apresentam um consumo muito reduzido inferior a 10u4A quando em estado adormecido sleep As necessidades de alimenta o aumentam quando entram em modo de opera o transmiss o rece o No mbito deste par metro e como se torna evidente o XBee quem apresenta menor consumo energ tico 54 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados com uma corrente de aproximadamente 50mA para uma tens o de alimenta o de 3 3V No ANEXO 4 faz se uma breve comparac o das caracter sticas dos modelos do XBee Cada m dulo disponibiliza um conjunto de terminais de entrada e sa da I O configur veis conforme a aplica o Esses terminais s o o meio de comunica o com o ambiente externo No caso deste projeto os terminais servem para comunicar quer com o computador quer com o Arduino utilizando respetivamente uma placa adaptadora para USB e um Shield de adapta o ao Arduino 3 7 3 Formato de Dados Na comunica o entre os XBees o formato de dados enviados especificado por uma API o que facilita a organiza o
29. a poder utilizar se de referir que a capacidade de mem ria o dobro da vers o anterior passando a dispor de 256Kb Esta placa compat vel com a maioria dos shields ver Item 3 3 8 existentes para o Ardu no Anal gica Refer ncia Pinos Digitais PWM Pinos de Comunica o 3 5 o n g m B a Alimenta o Pinos Anal gicos Figura 3 2 Arduino Mega Relativamente aos portos digitais alguns t m aplica es adicionais pois 14 desses pinos podem ser usados como sa das de sinal PWM As 4 UART portas de comunica o s rie com o hardware que se dividem em 1 portas S rie pino O RX e pinol TX S rie 1 pino 19 RX e pino 18 TX S rie 2 pino 17 RX e pino 16 TX S rie 3 pino 15 RX e pino 14 TX Usados para receber RX e transmitir TX dados s rie TTL Os pinos O e 1 est o 32 SCL Serial Clock Line 33 UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter 4 TTL Transistor Transistor Logic 30 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados tamb m ligados aos pinos correspondentes do chip serie FTDI USB to TTL ii duas para comunica es s rie s ncrona SPI pinos 50 a 53 para comunicar com perif ricos de grande velocidade mas a curta dist ncia iii comunica o IC que no Arduino denominado de TWI pinos 20 e 21 Para este tipo de comunica o o Arduino implementa internamente as resist ncias de pull up 3 3 3 Arduino FIO O Arduino FIO
30. a dete o dos dispositivos pertencentes rede bem como dos sensores a eles acoplados sendo lhes atribu dos identificadores Uma vez em modo de sincroniza o os dados s o enviados para uma base de dados local ou externa O m dulo monitoriza o baseia se numa janela Web desenvolvida para o efeito com liga o configur vel para aceder base de dados Na base de dados define se configura se e distribuem se os equipamentos Por exemplo Sensor com ID 1 est localizado na Zona X da Institui o Y Esta atribui o de localiza es ir facilitar a visualiza o dos dados quer em tempo real quer no registo hist rico A visualiza o dos dados faz se graficamente podendo se visualizar em simult neo um grande n mero de sensores 58 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados O esquema de blocos representado pela Figura 3 32 mostra a forma como todo o Interface TLab constitu do fisicamente O Tlab disp e de um n cleo formado pelo microcontrolador gerido pelo programa de aquisi o de dados Todos os sensores est o ligados ao micro controlador usando uma liga o f sica por cabo adequada a cada sensor que lhes permite comunicar com este e fornecer as leituras executadas Sensor BH1750FVI L dad Interface TLab Digital Rx TX Sensor DHT11 y M dulo Temperatura e Microcontrolador rajem XBee Humidade Arduino Single Wire Two Way BUS One W
31. a do dispositivo inverte a tens o do barramento de baixo para alto e mantem na durante mais 80p s ficando preparado para o envio de dados Quando o dispositivo sensor est a enviar dados para o micro controlador cada bit de dados come a com o n vel de tens o baixo durante 50us O sinal de n vel de tens o seguinte determina o estado dos bits de dados se 0 ou 1 Caso o estado da linha permane a durante mais de 50us a um nivel de sinal baixo ent o significa que ocorreu um erro na comunica o 3 6 2 Caracter sticas Avaliando as caracter sticas t cnicas do sensor DHT11 verifica se que apresenta propriedades muito interessantes nomeadamente no que diz respeito HR sendo poss vel uma medi o entre os 20 e os 90 de humidade relativa HR com uma grande fiabilidade e uma resolu o de uma unidade No que se refere medi o da temperatura limitado relativamente gama de valores n o sendo poss vel medir valores negativos Nas temperaturas entre o 0 e os 50 C apresenta um erro m ximo a 50 de 2 C No entanto como a sua utiliza o no mbito deste trabalho estar vocacionada para a medi o de low power consumption mode modo de baixo consumo de energia 51 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados humidade e temperatura em espa os de trabalho as suas caracter sticas s o aceit veis As caracter sticas t cnicas do sensor podem ser consult
32. acnionocinnnicicicn caninas iado citada dinner Anexo 3 1 Tabela 5 Especifica es T cnicas do DHTII eeeceeeeeeeeceteeeesneeeesteeeenaees Anexo 3 1 Tabela 6 Caracter sticas m dulo XBee oooonoocccnnnoooconocononcnonononnconoonnnnnncnnnnnnncnononoss Anexo 4 1 XII AD ADC AREF CO DC DFU DSSS EEPROM FFD FTDI GSM HDMI DC IC ICSP IDE IEEE IP ISM MAC NTC OSI PHY PWM RDF SAP SMS SNMP SPI SRAM TTL TWI UART ZDO ABREVIATURAS E SIGLAS Anal gic Digital Analog Digital Converter Analog Reference pino especifico da placa Arduino Di xido de Carbono Direct current Device Firmware Update Direct sequence Spread Spectrum Electrically Erasable Programmable Read Only Memory Full Function Device Future Technology Devices Global System for Mobile Communications High Definition Multimedia Interface Inter Integrated Circuit Integrated Cirquito In Circuit Serial Programming Integrated Development Environment Institute of Electrical and Eletronics Engineers Internet Protocol Industrial Scientific and Medical Medium Acess Contrl Negative Temperature Coefficient Open Systems Interconnection Physical Camada f sica do protocolo ZigBee Pulse Width Modulation Reduce Function Device Service Access Point Short Message Service Simple Network Management Protocol Serial Peripheral Interface Static Random Access Memory Transistor Transistor Logic Two Wire Interface Univer
33. adas no ANEXO 3 3 6 3 Liga es e Configura o De uma forma gen rica a interliga o entre um micro controlador e o sensor DHT11 deve ser efetuada conforme se indica na Figura 3 24 GND Figura 3 24 Diagrama de liga es do dispositivo DHT11 Quando a dist ncia entre o microcontrolador e o sensor inferior 20 metros deve ser montada uma resist ncia de 5 kQ pull up resistor Para distancias superiores o valor da resist ncia deve ser calculado conforme o manual t cnico do fabricante Muito embora a configura o do dispositivo DHT11 surja com quatro pinos de liga o apenas s o utilizados tr s pois o pino tr s n o est ligado internamente Figura 3 25 Assim sendo na maioria das placas comercializadas apenas disponibilizam os tr s pinos para interliga o com o microcontrolador VCC Data Figura 3 25 Configura o Do Sensor DHT11 3 6 4 Implementa o e Funcionamento No desenvolvimento do Interface TLab foi prevista a possibilidade de liga o de apenas um sensor DHT11 tendo em conta que este dispositivo destina se a medi o das condi es de 32 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados temperatura e humidade de um espa o de trabalho Assim n o ser previs vel a utiliza o de mais do que um sensor por interface TLab De acordo com o esquema de liga es referido anteriormente aproveitou se a alimenta o dispon vel no Arduino terminal de
34. ados e Software compat vel com sensores da mesma fam lia DS1822 e As aplica es mais comuns s o o controlo termost tico sistemas industriais produtos de consumo term metros ou qualquer outro sistema termicamente sens veis e Existem v rias configura es f sicas dispon veis capsulagem de 8 Pin SO 150 mils 8 Pin uSOP e 3 Pin TO 92 Pacotes como se pode observar na Figura 3 13 ROM Read Only Memory 41 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados MAXIM N C N C 18B20 N C N C gt Voo N C DO CIA GND SO 150 mils DS18B20Z DQ GND Voo DS18B20U BOTTOM VIEW TO 92 DS18B20 Figura 3 13 Configura es e pinos dos sensores DS18B20 7 No ANEXO 2 referem se as especifica es do sensor de temperatura DS18B20 Na Figura 3 14 mostra se o diagrama de blocos do sensor de temperatura DS18B20 que til para perceber o seu funcionamento de modo a poder program lo corretamente Veu LOGIC DQ NV TEMPERATURE SENSOR 64 BIT ROM INTERNAL Voo pollo ALARM HIGH TRIGGER Ta REGISTER EEPROM GND Eis 1 Wire PORT SCRATCHPAD L En ALARM LOW TRIGGER T REGISTER EEPROM A CONFIGURATION REGISTER EEPROM 8 BIT CRC GENERATOR POWER SUPPLY V ais SENSE Figura 3 14 Diagrama de Blocos do DS18B20 3 4 2 Implementa o e Funcionamento Como j foi referido anteriormente os sensores da fam lia DS18x20 s o relativamen
35. ag o e controlo de equipamentos s o de m xima import ncia e nesse mbito tem se vindo a dotar os equipamentos e instala es de sistemas mais ou menos sofisticados de forma a garantir as condi es espec ficas necess rias A utilizac o destes sistemas permitem de uma forma r pida evitar a utilizac o de produtos que devido ao seu estado de conserva o podem por vezes ser nocivos sa de ou atempadamente gerar alarmes que evitem os processos de deteriora o desses mesmos produtos Os sistemas de monitoriza o e controlo possuem a capacidade de recolher e interpretar sinais obtidos pelos diversos sensores instalados e torn los vis veis e facilmente interpret veis pelos operadores para que se tomem medidas corretivas Para responder aos requisitos anteriormente referidos existe j no mercado um grande n mero de sistemas que podem ir desde os instrumentos de medi o port teis at sistemas integrados inteligentes usados de acordo com a especificidade em causa e de acordo com a disponibilidade econ mica 2 2 Generalidades da Norma ISO 9000 As normas da fam lia ISO 9000 s o referenciais para a implementa o de sistemas de gest o da qualidade SGQ que representam um consenso internacional sobre boas pr ticas de gest o e com o objetivo de garantir o fornecimento de produtos que satisfa am os requisitos dos clientes estatut rios e ou regulamentares bem como a preven o dos problemas e a enfase na me
36. alores provenientes de sensores externos e atuar de acordo com as condi es estabelecidas entre muitas outras aplica es A declara o de vari veis globais ou objetos e a inclus o de bibliotecas caso o nosso programa necessite dever o ser feitas logo no in cio formando um cabe alho da aplica o Na Figura 3 9 pode se ver a estrutura de um sketch simples EF File Edit Sketch Tools Help e BI Cabe alho Declara o de variaveis Blink Turns on an LED on for one second then off for one second repe This example code is in the public domain void setup 7 initialize the digital pin as an output ff Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards pinMode 13 OUTPUT void loop digitalllrite 13 HIGH set the LED o delay 1000 wait for a digitalWrite 13 LOW E t the LED delay 1000 Figura 3 9 Estrutura do sketch no IDE 3 3 7 Shields Arduino A plataforma de desenvolvimento Arduino permite ser expandida e utilizada para fun es espec ficas permitindo dessa forma uma maior amplitude de utilizac o nomeadamente no controlo de motores na interligac o com redes Ethernet ou redes sem fios equipamentos espec ficos de medi o ou sensores entre outras utiliza es Para diversificar essa utiliza o 38 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados s o utilizados shields que existem no mercado para a
37. am todos os trabalhos em curso Ao colega Eng Augusto Casais pela paci ncia e longas horas de trabalho conjunto passadas na sala de investiga o para que este projeto se tornasse realidade Ainda ao Eng Estagi rio Nuno Silva pelo seu apoio no desenvolvimento da aplica o web Por fim e n o menos importante s pessoas e familiares mais pr ximas pela compreens o e paci ncia pelos longos per odos de aus ncia e projetos familiares adiados VII NDICE GERAL INDICE DEFI ee e od XI INDICE DE Tabelas eroon tae on XII ABREVIATURAS E SIGLAS siii iia sensed eadunsaata VERA aan adia sodas dc XIV Capitulo t INOdUC O passara Ra eo UG O OTA 1 Id Comet A td 1 Vader NOVIO ado tad 2 1 3 Objetivos e Requisitos do Sistema css sue sists salda lies saceadnasdantaasseanens 2 1 4 Organiza o da Disserta o odias 4 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados viii di pais deed agains 5 P E ia 5 2 2 Generalidades da Norma ISO 9000 occ eet eee A A eee 6 2 3 Enquadramento da ISO 90012000 rd 8 Ae Redes semi Filossera eS eo ded Genet E TS 10 2 4 1 Protocolo ZigBee nres anie E aE EA EEES EE EEEE tersa 12 DAD Topologia da Red 14 2 4 3 Modo de Opera o da Rede ninia dilatada 17 2 5 Sistemas de Controlo e Monitoriza o Existentes 19 2 5 1 Caracter sticas Gerais 1 rs 19 2 2 Ex mpl s de Sistemas 0 todita Es eS 20 XO MM STAC OSS naa R eve A T E Bcc ooh 23 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o
38. ata control number info data check sequence trame Frame Sequence Frame ACK control number check frame MAC sublayer e Frame Sequence Address Command Frame MAC d control number info type payload check rada j frame No Frame Sequence Address Beacon Frame Beacon control number info payload check frame Figura 2 7 Tramas do comando MAC 18 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados Existem quatro tipos de Tramas e Tramas de comando MAC MAC command Estas tramas s o utilizadas para efetuar o controlo dos n s clientes e Tramas de dados Estas tramas s o as que mais interessam ao utilizador pois s o usadas para todo o tipo de transfer ncia de dados Podem ter at 104 bytes e est o numeradas a fim de manter alguma fiabilidade na comunicag o pois a exist ncia de uma sequ ncia de frame check permite assegurar uma transmiss o fi vel e sem erros e Tramas de reconhecimento acknowledgement ACK S o utilizadas para confirmar a receg o bem sucedida de pacotes O acknowledgement faz se no tempo livre de comunica es existente entre o envio de tramas e Tramas de sinaliza o beacon s o utilizadas pelos ZigBee coordenador e roteador para efetuar a transmiss o de beacons 2 5 Sistemas de Controlo e Monitoriza o Existentes No mercado f cil encontrar uma gama variada de sistemas que podem ser utilizados em fun o das necessidades No entanto s o na generalidade siste
39. cabe alho e inclus o das defini es das bibliotecas Aplica o para Monitoriza o de Ambientes Controlados TLab Light Sensor BH1750 V1 0 medi o de luminosidade DHT11 Sensor de Humidade e Temperatura EngiAmbiContr VO 4 Arduino 0023 DS18 Sensor Digital de Temperatura File Edit Sketch Tools Help Comunica o wireless XBee Series 2 e Pro gt HHIHH Biblioteca X H include lt dht11 h gt DHT11 IH include lt Wire h gt BH1750 I2C Mode include lt dhtll h gt D pie include lt lWire h gt BHI include lt math h gt Clac Matem tico finclude lt math h gt include lt Onellire h gt comuni Hinclude lt OneWire h gt i comunica o do BUS include lt DallasTemperature h gt include lt DallasTemperature h gt Sensor DS18 Figura 3 17 Extrato do Cabe alho 44 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados Como se mostra neste pequeno extrato a forma como se obt m o valor de temperatura extremamente simplificada com o uso das bibliotecas apenas necessitamos de identificar o sensor que se pretende obter o valor de temperatura e atrav s do seu endere o vari vel tempDeviceAddress e o comando requestTemperatures da biblioteca DallasTemperature obtemos de imediato a resposta ao pedido void LerDS18 Serial printin Temperatura Faz o pedido de temperatura a todos os dispositivos do BUS Serial print Lendo Tempera
40. cla 1 Serial printin Para leitura das Temperaturas das Sondas Tecla t Serial printIn Para leitura de Todas as Sondas Tecla r Serial printin HIILI Convers o de Graus Celsius em Fahrenheit 11 double Fahrenheit double celsius double fahrenheit 1 8 celsius 32 return fahrenheit MIHI Conversao de Graus Celsius em Kelvin HHHH double Kelvin double celsius double kelvin celsius 273 15 return kelvin PS THM Fun o calculo do Ponto de Orvalho JNE UMMM segundo a National Oceanic and Atmospheric Administration 1 1111111 MMMM referencia http wahiduddin net calc density_algorithms htm double dewPoint double celsius double humidity double Porvalho double A0 373 15 273 15 celsius double SUM 7 90298 A0 1 SUM 5 02808 logl0 AO SUM 1 3816e 7 pow 10 11 344 1 1 A0 1 SUM 8 1328e 3 pow 10 3 49149 A0 1 1 SUM log10 1013 246 double VP pow 10 SUM 3 humidity double T log VP 0 61078 variavel de temperatura Porvalho 241 88 T 17 558 T return Porvalho Anexo 5 C digo para Arduino do TLab MO Fun o calculo do Ponto de Orvalho R pido H HIP PELIN NI Varia o max 0 6544 wrt Ponto de OrvalhoQ MMMM MHILL Sx mais r pido doque o Ponto de OrvalhoO HH HHHIPS PM referencia http en wikipedia org wiki Dew_point
41. de reduzida RDF opere na rede sem a necessidade de grandes quantidades de mem ria dispon veis podendo controlar tamb m um grande n mero de dispositivos sem a necessidade de coloc los em espera como ocorre em algumas tecnologias sem fio e ZigBee NWK A camada de rede utiliza um algoritmo que permite implementa es da pilha de protocolos visando equilibrar os custos das unidades em aplica es espec ficas o caso do consumo das baterias procurando produzir solu es espec ficas para a aplica o com boa rela o pre o qualidade e API formada pela subcamada de suporte aplica o que fornece uma interface entre a camada de rede e a camada de aplica o atrav s de um conjunto geral de servi os que s o usados pelo ZDO e os objetos da aplica o definidos pelo fabricante Os servi os fornecidos no suporte aplica o s o o Descovery este servi o verifica a exist ncia de outros pontos ativos na rea de alcance do dispositivo para servi os de troca de dados o Binding este servi o interliga os v rios dispositivos tendo em conta as necessidades e servi os 2 4 2 Topologia da Rede Com uma vasta rea de possibilidade de aplica o desde o controlo industrial automa o de resid ncias dom tica o protocolo ZigBee possui determinadas caracter sticas que o tornam absolutamente distinto dos restantes Algumas dessas caracter sticas j foram referenciadas anteriormente e
42. de se verificar que a base de dados da aplica o muito simples tendo apenas cinco entidades que se relacionam entre si A entidade Utilizadores n o se relaciona com mais nenhuma outra entidade porque serve apenas para a autentica o de utilizadores Enquanto que as restantes entidades se interligam para se poder relacionar os registos que s o inseridos na entidade Metricas Estes registos representam os valores que s o obtidos para cada sensor a cada instante do processo de sincroniza o 61 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados atrav s da plataforma web que se tem acesso graficamente aos dados recebidos quer em tempo real quer posteriormente aos hist ricos registados em base de dados ainda nesta plataforma que se definem alguns par metros que permitem a gest o de alarmes Figura 3 35 Inicio Setup Relatorios v Sair Gab Entrada Sala Reuni es Sensores Equipamentos Sensores Equipamentos Sen Humidade Sen T Sala reuni es Figura 3 35 Plataforma Web TLab 3 9 Resultados Obtidos Seguidamente s o apresentadas algumas figuras que ilustram os resultados obtidos ap s alguns ensaios do sistema de aquisi o de dados Tlab Foram instalados dois interfaces Tlab em locais diferentes e com equipamentos diferentes assim Zona designada por Gab Entrada foi instalado um sensor de temperatura e humidade DTH11 um sensor de luminosidade BH1750FVI e dois senso
43. di o de temperaturas e LDR para a luminosidade No entanto devido s suas caracter sticas para serem integradas com o Arduino necessitavam de eletr nica adicional chegando mesmo a ser desenvolvidas algumas placas de acoplamento N o se obtiveram resultados satisfat rios pois afastavam se do objetivo proposto inicialmente de simplicidade da instala o Optou se ent o por selecionar alguns sensores digitais de interface direto com o Arduino A escolha determinou a utiliza o dos seguintes sensores Sensores de temperatura DS18B20 sensores de luminosidade BH1750FVI e o sensor duplo DHT11 com capacidade para medir temperatura e humidade simultaneamente 3 2 Raz es Para a Escolha do ARDUINO Este projeto consiste no desenvolvimento de um sistema de monitoriza o de temperatura e outras grandezas e designado por TLab Possui alguns sensores de diferentes tecnologias colocados em equipamentos e ou espa os de trabalho que fornecem informa o a um 26 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados dispositivo de processamento Este dispositivo constitu do por uma placa de hardware que suporta entradas e sa das tem capacidade ainda de efetuar algum processamento baseado numa linguagem de programa o conhecida O TLab possibilita a visualiza o da informa o recolhida recorrendo a aplica es gr ficas OTLab visa monitorizar as grandezas envolvidas sendo elas a temperatura a hum
44. e poder utilizar as novas bibliotecas apenas se t m que adicionar pasta das bibliotecas do IDE Ao realizar o upload da aplica o o IDE faz uma verifica o de poss veis erros de sintaxe compila o c digo para linguagem m quina procedendo de seguida ao envio do ficheiro resultante para o microcontrolador sem necessidade de mais interven o ou recurso a qualquer outro programa 6 r sketch oct20 Arduino 0021 CO ii File Edt Sketch Took Help compilar verif sketch exibir comunica o da porta s rie rea de c digo parar execu o Sketch novo sketch abrir sketch guardar sketch enviar sketch para a placa rea de status Figura 3 8 Interface IDE 37 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados A estrutura de um programa Arduino designada por sketch que composto por duas fun es principais setup e loop e A fun o setup tem o c digo de inicializa o do programa e apenas executada uma nica vez no in cio da execu o da aplica o Nesta fun o definem se os pinos de entrada e sa da os valores inicias das vari veis faz se a inicializa o da utiliza o das bibliotecas e da comunica o s rie entre outros procedimentos e A fun o loop executada de forma cont nua em ciclo tal como indica o nome da fun o formada pelo c digo principal do programa o que pode permitir a leitura sucessiva de portas e de v
45. endere o dos dispositivos void printAddress Device Address device Address for uint8_t i 0 i lt 8 i if deviceAddress i lt 16 Serial print 0 Serial print device Address i HEX THE END Anexo 5 10
46. erva o alimentar desenvolveu se um sistema de aquisi o de dados e monitoriza o Com este sistema verificou se que poss vel monitorizar ambientes de trabalho e equipamentos espec ficos de conserva o ou tratamento de uma forma econ mica e com grande facilidade de instala o uma vez que se trata de um sistema sem fios Para al m disso tamb m poss vel medir uma grande variedade de grandezas e em n mero bastante extenso Por outro lado desenvolveu se uma plataforma web que permite centralizar facilmente todos os dados recolhidos mesmo de instala es completamente distintas A base de dados pode estar localizada fora das instala es e ser monitorizada quer por respons veis internos das institui es quer por equipas externas de manuten o utilizando se o conceito atual de nuvem de dados CLOUD Este sistema permite ainda atrav s da an lise hist rica de alarmes de ocorr ncias perspetivar e planear interven es de manuten o corretiva e peri dicas facilitando o planeamento de atividades produtivas e garantindo resultados de qualidade dentro dos par metros desejado Um dos pontos a considerar em desenvolvimentos futuros relaciona se com a gest o de alarmes O sistema dever permitir a liga o a um sistema de comunica o telef nica de modo a poder emitir mensagens de aviso Outro ponto de grande import ncia a considerar no futuro o controlo de falhas t cnicas do sistema embora se ten
47. este tema Nas empresas surgem as equipas de controlo de qualidade e os instrumentos que lhes permitem efetuar continuamente as medi es e registos requeridos pelas normas aplic veis Com o objetivo de ir ao encontro destas necessidades foi desenvolvida ao longo deste projeto uma ferramenta de trabalho que permite facilitar a atividade das equipas de controlo de qualidade podendo mesmo ser transferido algum controlo a entidades externas que se responsabilizam por monitorizar v rias instala es em simult neo Nesse mbito revelou se uma mais valia o desenvolvimento de uma aplica o Web que permite remotamente ou localmente ter acesso a temperaturas de equipamentos de acondicionamento temperaturas e humidades relativas dos locais assim como das condi es de luminosidade O fundamento deste projeto consiste na monitoriza o das condi es de armazenamento de produtos sobretudo nas reas laboratoriais de an lises cl nicas e restaura o Para tal idealizou se um sistema com base num microcontrolador e sensores que permitem medir tr s tipos de vari veis f sicas temperatura humidade e luminosidade atrav s de comunica o sem fios O sistema desenvolvido que se descreve e fundamenta ao longo deste documento pode facilmente ser expandido futuramente com a introdu o de outros sensores MI ABSTRACT The guarantee of good storage conditions and product conservation is an increasingly stringent concern particular
48. estinam a melhorias futuras e outras que servem para verifica es de funcionamento na fase de instala o CODIGO Aplica o para Monitoriza o de Ambientes Controlados Para Interface TLab Light Sensor BH1750 V1 0 medi o de luminosidade DHT11 Sensor de Humidade e Temperatura DS18 Sensor Digital de Temperatura Comunica o wireless XBee Series 2 e Pro PEN Bibliotecas JM SA include lt dht11 h gt DHT11 include lt Wire h gt BH1750 IIC Mode include lt math h gt Clac Matem tico include lt OneWire h gt comunica o do BUS finclude lt DallasTemperature h gt Sensor Dallas DS18 PE Declara o de objectos MILA dht11 DHT11 IHI Declara o Constantes Pinos de Entrada 00 111111 1 define DHT11PIN 18 int BH1750address 0x23 Defini o de endere o I2C byte buff 2 PM Liga o do BUS na entrada 3 Digital do Arduino MM define ONE_WIRE_BUS 3 define TEMPERATURE_PRECISION 10 MIMI Ativa o do BUS de comunica o oneWire para qualquer dispositivo do tipo OneWire OneWire oneWire ONE WIRE BUS 1H passagem de referencia oneWire para sensores de temperatura Dallas Anexo 5 1 Anexo 5 C digo para Arduino do TLab DallasTemperature sensors amp one Wire int numberOfDevices Variavel para armazenar o n de sensores encontrados int numberOfSample Variavel para armazenar o n de ciclos de amostras void Menue
49. facilitar todos os processos de controlo e garantias de qualidade Nesse mbito as comunica es sem fios t m vindo a ocupar um espa o importante no que concerne aos processos de medi o quer ao n vel da readapta o de processos quer ao n vel de novas unidades de produ o presta o de servi os A facilidade de adapta o dos sistemas de comunica o sem fios aliada grande fiabilidade dos sistemas de hardware e protocolos de Cap tulo 1 Introdug o comunica o d o garantias de maior simplicidade na implementa o assim como maior flexibilidade 1 2 Motivac o Pretendeu se neste projeto desenvolver um sistema capaz de ir ao encontro dos requisitos de fiabilidade na conservag o de produtos segundo as normas aplic veis O sistema ir permitir recolher em tempo real os valores de diversas grandezas quer em locais de ambiente controlado quer em equipamentos nomeadamente c maras frigor ficas e estufas que se destinam especificamente conserva o de reagentes utilizados em laborat rios de an lises cl nicas assim como de colheitas para an lise Adicionalmente o sistema permitir monitorizar tamb m espa os restritos onde s o desenvolvidas atividades espec ficas da mesma rea A aplicabilidade e versatilidade do sistema permite tamb m a adapta o a outros tipos de atividades nomeadamente na restaura o no que se refere ao acondicionamento de produtos confecionados com necessidades de c
50. grated Circuit 37 TWI Two Wire Interface 31 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados 3 3 4 Outras Plataformas Arduino Para al m das plataformas j referidas existem in meras outras com aplica es mais espec ficas No entanto a caracter stica de base a sua programa o e a estrutura funcional baseia se nos mesmos princ pios e tecnologia variando apenas as suas capacidades e especificidade A t tulo de exemplo apresentam se sucintamente no ANEXO 1 mais algumas dessas plataformas 3 3 5 Funcionamento do Arduino Como j foi referido a plataforma Arduino simplifica o processo de trabalhar com microcontroladores agrupando os detalhes confusos e complexos de programa o num pacote f cil de utilizar oferecendo grande vantagem no desenvolvimento de sistemas f sicos de automa o O Arduino baseia se numa placa de desenvolvimento que interpreta as vari veis ambientais que nos rodeiam atrav s de sensores ligados aos terminais de entrada Depois de processar as vari veis pode controlar ou acionar alguns elementos eletr nicos ligados aos terminais de sa da Figura 3 4 ENTRADA Sensor Figura 3 4 Esquema funcional do Arduino O Arduino possui um microcontrolador desenhado e constru do de forma a integrar diversos componentes num nico circuito integrado evitando assim a necessidade de adicionar componentes externos ao microcontrolador Esta abordagem diferente dos mic
51. gurar o m dulo XBee pode se fazer de diversas formas No entanto a mais utilizada atrav s da ferramenta X CTU usando a janela terminal Para que o XBee entre em modo de comando necess rio enviar a instru o e nos 10 segundos seguintes tem de ser enviado o comando AT que se pretende Assim para ler o endere o de destino por exemplo tem se de escrever ATDL lt ENTER gt e aguardar pela resposta do XBee Alguns comandos usados para a configura o do XBee s o agora descritos 56 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados e ATDL5001 lt ENTER gt Altera o endere o de destino para 5001 do XBee devolve OK e ATMY5000 lt ENTER gt Altera o pr prio endere o para 5000 devolve OK e ATWR lt ENTER gt Grava as altera es feitas na mem ria flash do XBee 3 7 5 Endere amento Para existir comunica o dentro de uma rede entre v rios m dulos XBee necess rio efetuar os endere amentos dos v rios m dulos XBee Existem tr s formas de endere amento que s o e Trabalhar no mesmo canal comando ATCH e Trabalhar no mesmo PAN ID comando ATID e Trabalhar com um endere o Fonte comando ATSH ATSL ou ATMY Nesta ltima forma de endere amento s o indicados ao m dulo XBee qual o endere o do m dulo XBee de destino No Interface TLab os m dulos XBee est o configurados para utilizar o PAN ID 0 Zero e a trabalharem no canal 12 Ainda foi usado n
52. ham desenvolvido alguns mecanismos e procedimentos para prevenir e avisar poss veis falhas No entanto a sua utiliza o plena foi deixada para futuros desenvolvimentos 67 Cap tulo 4 Conclus es e Trabalhos Futuros Foi ainda deixado para futuros desenvolvimentos o tratamento dos relat rios escritos Estes relat rios dever o ser din micos e personalizados considerando as especificidades de cada instala o Outro ponto importante a considerar em futuros desenvolvimentos a cria o de uma plataforma eletr nica com base nos princ pios do Arduino mas mais espec fica e personalizada para o Interface TLab Por ltimo o Interface TLab possibilita a condicionamento dos ambientes que est o a ser monitorizados Assim atrav s da utiliza o de sa das digitais ou anal gicas poss vel controlar equipamentos que permitam a altera o das grandezas analisadas de forma que estas se mantenham dentro de par metros previamente configurados Esta funcionalidade ser implementada futuramente 68 REFER NCIAS 1 International Organisation for Standardisation ISO ISO 9000 no Implementa o de sistemas de gest o da qualidade SGQ 1 Publica o 1987 2 Instituto Portugu s da Qualidade 2003 Novembro Politica de Acredita o Rastreabilidade das Medi es 3 Atmel Corporation 2011 Setembro Online http www atmel com Images doc8161 pdf Acedido em Agosto 2012 4 Atmel Corporation
53. ia WEB O HWg STE do fabricante HW group S R O um term metro com interface Ip que permite a monitoriza o remota da temperatura humidade atrav s da WEB Possui um m todo de alerta por correio eletr nico de SNMP Trap sempre que os limites definidos forem ultrapassados Fornecido com aplicag o para Windows permite a criag o de gr ficos e a exportac o dos dados para folha de c lculo A Figura 2 8 representa o sistema HWg STE dE fate _ RH R mumica e A SNMP E Correio Eletr nico HWg PDMS Reizt rio Excel Figura 2 8 Sistema HWg STE Este sistema apresenta diversas potencialidades das quais se destacam as seguintes e Alerta por E mail correio eletr nico no caso de se verificar anomalias dos equipamentos monitorizados e Alerta por sobreaquecimento de equipamentos e Alerta pelo aumento de temperatura numa zona e Instala o r pida e f cil suporta DHCP e Liga o a sistema de monitoriza o SNMP Este sistema de monitoriza o est vocacionado essencialmente para espa os habitacionais e escrit rios Monitoriza temperaturas e humidades podendo ter diversas aplica es como a monitoriza o de compartimentos climatizados ou dar informa o sobre a temperatura no exterior Pode estar associado diretamente a equipamentos de climatiza o 14 Web tamb m conhecida por WWW World Wide Web Rede de alcance mundial 15 IP Internet Protocol 16 SNMP Simple Network Manage
54. iabilidade e com funcionamento em rede sem fios baseado numa norma aberta global 2 4 1 Protocolo ZigBee O protocolo ZigBee permite comunica es robustas e opera na frequ ncia ISM n o requerendo por isso qualquer tipo de licenciamento Abrange a faixa de 2 4 GHz em todo o mundo 915Mhz na Am rica e 868Mhz na Europa As taxas de transfer ncia de dados s o de 250kbps 40kbps e 20kbps para 2 4GHz 915Mhz e 868Mhz respetivamente As redes com base no protocolo ZigBee oferecem uma excelente imunidade a interfer ncias e disp em de uma grande capacidade de hospedar milhares de dispositivos ligados na mesma rede 65 000 dispositivos por canal O protocolo ZigBee destinado a aplica es industriais tendo em conta que as caracter sticas destas redes normalmente n o necessitam de grandes velocidades o que se enquadra perfeitamente nas suas especifica es O protocolo ZigBee IEEE 802 15 4 foi planeado e desenvolvido tendo como objetivo preferencial apresentar as seguintes caracter sticas e Consumo energ tico baixo e implementa o simples com interfaces de baixo custo e Dois estados de funcionamento active para transmiss o e rece o e sleep quando inativo e Simplicidade de configura o e redund ncia de dispositivos opera o segura 2 4 5 e Densidade elevada de n s suportados pela rede As camadas PHY e MAC permitem que as redes funcionem com grande n mero de dispositivos ativos Es
55. icador pode ser num rico para os sensores ligados em BUS em que o n mero indicar o n mero de ordem que o sensor assume na sequ ncia do BUS ou alfab tico para os restantes sensores Carater de separa o de dados este conjunto de carateres s o acrescentados mensagem para que a mensagem possa ser mais facilmente interpretada e formada por V onde a letra distinta para cada tipo de sensor Este conjunto de caracteres desprezado ap s a valida o da mensagem pelo coordenador Valor a parte da mensagem onde seguem os dados formados por um n mero decimal com duas casas decimais Separador de dados utilizado o carater para indicar que termina o conte do de dados de um sensor O software desktop sincronizador TLab instalado no computador e ligado ao m dulo XBee coordenador tem como fun o o reconhecimento dos equipamentos instalados e sincronizar o fluxo de dados Figura 3 33 60 Ficheiro Lista de Sensores Adicionar Sensor Xbee Apagar xbee ID Sensor Ordem 0013A200407047BA 8 0 0013A200407047BA 9 0013A200407042F4 15 0013A200407042F4 16 E O BR Iniciar Sincroniza o Valor Recebido Porta COM Desligada Figura 3 33 Aplica o e sincroniza o TLab Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados Numa primeira fase o sincronizador TLab identifica os comunicadores XBee que fazem par
56. idade relativa e os n veis de luminosidade do espa o envolvente assim como a aquisi o de um conjunto de temperaturas de equipamentos espec ficos Considerando os requisitos do sistema e por outro lado a versatilidade e aplicabilidade pretendidas optou se pela escolha da plataforma Arduino O grande potencial do Ardu no reside no facto de ser um sistema Aberto tanto em hardware como em software Por essa raz o a informa o dispon vel vasta e em constante evolu o Para o desenvolvimento de aplica es existem plataformas de programa o para os diversos sistemas operativos mais comuns Windows Linux e MAC OS O hardware est dispon vel em grande variedade e especificidade e com custos relativamente baixos Esta caracter stica leva a que o Arduino se apresente como uma solu o interessante para o desenvolvimento experimental Muito embora apresente algumas fragilidades no que concerne sua aplicabilidade industrial tem se revelado de grande efic cia quando tomadas escolhas adequadas no desenvolvimento das aplica es As suas caracter sticas de comunica o e interliga o permitem o acoplamento de diferentes tipos de sensores com diferentes tecnologias gra as s bibliotecas de programa o j concebidas que se podem obter facilmente e us las de acordo com a aplica o Outra grande vantagem que o Ardu no apresenta a diversidade de protocolos com que pode comunicar o que interessante
57. idade do seu BUS 5 LCD Liquid Cristal Display 16 VGA Video Graphics Array 47 HDMI High Definition Multimedia Interface 46 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados 3 5 2 Caracter sticas Principais Seguidamente referem se algumas caracter sticas do sensor de luminosidade BH1750FVI que s o importantes para este trabalho e A tens o de alimenta o usada 4 5V a 6V ou 2 3V e Interface do tipo BUS PC possui dois endere os alternativos e sua resposta espetral aproximada do olho humano e Apresenta uma sensibilidade cuja gama de medi o pode ir dos 1 aos 65535 lux e N o depende do tipo de luz Responde de igual forma para os diversos tipos de ilumina o Por exemplo l mpada incandescente l mpada fluorescente l mpada de halog neo LED branco e luz solar e Pode se ajustar o resultado da medi o quando o sensor de luminosidade afetado por uma janela tica poss vel detetar no m nimo 0 11 Ix e m ximo 100 000 Ix usando esta fun o e A influ ncia de infravermelhos baixa e Apresenta uma varia o de medi o da sensibilidade de 20 3 5 3 Diagrama de Blocos e Configura o F sica Na Figura 3 19 mostra se o diagrama de blocos do sensor que ilustra o seu funcionamento VOC Dw p dq E E 4 nao Lagar SOL MES A po hi i PE interface Lo od SA PD Ta ose A as SETE SS E sed GMD ADOR F
58. igned based on a microcontroller and sensors that can measure three types of physical variables temperature humidity and light through wireless communication The system that was developed and is described throughout this document may readily be expanded in the future with the introduction of other sensors IV PALAVRAS CHAVE Monitoriza o metrol gica Aquisi o de temperatura Sensores sem fios Sensores de luminosidade Sensores de humidade Comunica o sem fios XBee Aquisi o dados com Arduino AGRADECIMENTOS Este trabalho n o teria sido poss vel sem o apoio e colaborag o de diversas pessoas e institui es A todos aqueles que de alguma forma contribu ram para a realiza o deste Projeto Final e Disserta o gostaria de expressar o meu agradecimento e reconhecimento profundo pelo seu importante contributo e ajuda para a ultrapassar as dificuldades por mim sentidas Agrade o especialmente ao meu orientador Professor Doutor Miguel Francisco Martins de Lima pela sua disponibilidade e apoio prestado Ao meu coorientador Professor Bruno Filipe Marques igualmente pela disponibilidade e apoio prestado Engidom Engenharia Lda representada pelo Eng Hurbano Mendon a e Eng Jos Manuel Chambino pelo acolhimento e pelas longas horas dispensadas para que fosse poss vel a realiza o deste projeto A todos os colegas e colaboradores da Engidom que nas minhas horas de aus ncia mantiveram e desenvolver
59. igura 3 19 Diagrama de Blocos do sensor BH1750FVI Os blocos t m a seguinte funcionalidade 8 e PD o foto d odo com resposta id ntica sensibilidade da vis o humana e AMP o amplificador operacional integrador para convers o da corrente em tens o el trica gerada pelo foto d odo e ADC o conversor anal gico para digital que converte os valores de tens o obtidos em dados na forma digital de 16bit 47 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados e LOGIC RC INTERFACE a l gica de processamento do c lculo da luminosidade e interface IC onde s o guardados os seguintes registo DATA REGISTER que o valor digital da medi o da ilumina o com valor inicial de 0000 0000 0000 0000 MEASUREMENT TIME REGISTER que o tempo durante o qual foi realizada a medi o com valor inicial de 0100 0101 e OSC o rel gio oscilador interno 320kHz A Figura 3 20 mostra a configura o f sica do sensor BH1750FVI e o seu pinout Para al m da configura o original aqui representada existem outras adaptadas a diferentes aplica es O BH1750FVI normalmente montado em pequenas placas eletr nicas associado a outros componentes de modo a satisfazer da forma mais adequada as necessidades de interliga o com os controladores resultando assim em diversos dispositivos semelhantes comercializados 654 Finn Symbol ADDE GHD a ha DVI da
60. ilador Mem ria de Memoria de Mem ria Mem ria Dados Programa EEPROM RAM CPU BARRAMENTO Interface Interf Temporizador de entrada a gt E AD Comparador PWM Contador e de Sa da ram Figura 3 6 Arquitetura do microcontrolador Arduino No diagrama de blocos que se apresenta na Figura 3 7 e que representa o microcontrolador ATmega2560 4 poss vel identificar todos os seus componentes e as suas rela es funcionais O Arduino constitu do por v rios componentes Relativamente aos componentes que constituem o seu n cleo destacam se alguns de grande import ncia e que fundamental conhecer para desenvolver aplica es A explica o de todos os componentes que comp em o Arduinos est dispon vel na informa o t cnica do equipamento disponibilizado pelo fabricante 3 Neste sentido seguidamente descreve se a mem ria e alguns terminais pinout do equipamento 33 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados PF7 0 px7 0 P37 0 DE7 0 E E EJ EE EE Saas E l z XTA qo Sorry Internal E os Bandgap reference PA mete Ii PC7 0 porTC a E ALTE NOTE Shaded parts only avalanie n the 100 pin version Complete functionality for the ADC T C4 and TICS only avallable in the 100 pin version PD7 0 Figura 3 7 Diagrama de blocos ATmega2560 e Mem ria Podem ser co
61. ire BUS BUS Sensor DS18B20 Sensor gt Sensor Comunica o DS18B20 amp DS18B20 Sensores de temperatura em BUS Sincronizador gt TLab sem fios a Computador en Local Sensor BH1750FVI Comunicac o Luminosidade Interface TLab 1 y 12C sem fios A i Nuvem IP x Pi Sensor DHT11 lt M dulo Temperatura e Microcontrolador a XBee Humidade SS Arduino rer Single Wire Two Way AAA BUS One Wire WEB BUS BUS Sensor Sensor am Sensor DS18B20 SO DS18B20 DS18B20 Sensores de temperatura em BUS Figura 3 32 Diagrama de blocos da rede do sistema TLab O programa de aquisi o de dados formado por v rios procedimentos que solicitam de forma sequencial e em ciclo fechado as leituras dos elementos sensoriais Os dados s o armazenados em vari veis locais para posterior envio Os valores armazenados n o s o instant neos eles resultam de uma m dia de leituras O n mero de leituras que contribui para a m dia pode ser configurado em fun o das necessidades de cada instala o Ap s um ciclo de leituras os dados s o acondicionados de forma a serem enviados pelo comunicador XBee E criado um pacote de dados que ser integrado na Identifier specific Data da trama que o comunicador envia ao coordenador 59 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados O pacote de dados constitu do por Identificador alfanum rico este identif
62. iseu ico de V Escola Superior de Tecnologia e Gestao de Viseu L itecn e Qu e Pur os a 72 E enico de y yet Uy O E TT muto Supo aga Per ecnolog a A eS y q 4 v A _ Escola Sigg Joao Carlos Dias Abrunhosa Araujo Sistema de Aquisic o e Monitorizac o de Dados para Ind stria Alimentar e Laboratorial Dissertac o de Mestrado em Engenharia Eletrot cnica Energia e Automac o Industrial Professor Doutor Miguel Francisco Martins Lima Professor Bruno Filipe Lopes Garcia Marques Setembro de 2012 RESUMO z A garantia das boas condi es de armazenamento e conserva o dos produtos uma preocupa o cada vez mais rigorosa nomeadamente com a conserva o de produtos alimentares Os requisitos exigentes da conserva o alimentar a necessidade de criar maior confian a na conserva o de produtos e consequentemente na melhoria da qualidade de vida das popula es em geral levaram a que se criassem normas espec ficas para o efeito A s rie ISO 9000 define explicitamente a rela o entre garantia da qualidade e a metrologia incluindo diretrizes para se manter um controlo sobre os instrumentos e equipamentos tornando assim necess ria a implementa o de um processo metrol gico que permita obter ou manter uma certifica o da empresa Tem se vindo a verificar por parte das empresas e t cnicos respons veis uma maior consciencializa o para
63. its de dados que incluem o valor da humidade relativa HR 8 bits parte inteira e 8 bits 50 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados parte decimal e da temperatura 8 bits parte inteira e 8 bits parte decimal Fazem parte ainda da resposta 8 bits de verifica o check sum Uma vez conclu do este procedimento o dispositivo ir colocar a linha em modo latente low power consumption mode at que se verifique novo pedido por parte do microcontrolador Est representado na Figura 3 23 o comportamento do sinal em tens o VCC na linha de comunicag o resistor pulls up bus s voltage for next transmission 4 MCU Sends out o DHT Sends ip de Output Data Data transmission completed Start Sigal out response 1 bit 0 GND Pull up amp l Pull up voltage z SINGLE BUS wait for and get ready Gomor pulls OUTPUT sensor for sensors k Output Data 1 bit 1 down bus s response output voltage 50us Lines explaination e MCU Signal DHT Signal Figura 3 23 Comunica o Single Wire Two Way No processo de comunica o de dados entre o micro controlador e o sensor DHT11 a dura o de estado de tens o da linha low or high power determinam o estado de transmiss o Ap s detetado um sinal Start Signal o dispositivo ir enviar um sinal de resposta de baixa tens o de n vel de linha VCC GND que dura 80us Em seguida o program
64. itura das sondas BHL 750 Luminosidade void LerBHL7500 Serial printIn Luminosidade 11111111 Luminosidade int 1 uintl6 t val 0 BH1750 Init BH1750address if 2 BH1750_Read BH1750address val buff 0 lt lt 8 Ibuff 1 1 2 Serial println Serial print Luminosidade do Local Lx Serial print 1 Serial print L Serial print val DEC Serial print delay 1000 MM Leitura das sondas DS18B20 Temperatura void LerDS18 float acomulado float tempArmazenada float valor float myTemperatura 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Serial printIn Temperatura DS18B20 11111111 Temperaturas Sensores Dallas DS18 Faz o pedido de temperatura a todos os dispositivos do BUS ll Serial print Lendo Temperaturas sensors requestTemperatures envia o comando de pedido de temperatura Il Serial printIn Concluido Loop a todos os dispositivos para obter as temperaturas for int contador 0 contador lt numberOfSample contador for int nDevice 0 nDevice lt numberOfDevices nDevice Anexo 5 6 Anexo 5 C digo para Arduino do TLab Search the wire for address if sensors getAddress tempDeviceAddress nDevice 111111111 linhas comentadas usadas para testes iniciais Escreve o ID do dispositivo Serial print Temperatura do dispositiv
65. lhoria cont nua A defini o de produto dever ser interpretada de acordo com a ISO 9000 2000 e respetivas notas associadas defini o 3 4 1 O produto definido como o resultado de um processo e divide se em quatro categorias gen ricas Servi os ex transportes Software ex aplica es inform ticas dicion rios Hardware ex equipamentos mec nicos de m quinas e Materiais Processados ex lubrificantes 1 Estas boas pr ticas s o compiladas num conjunto de requisitos normativos ISO 9001 2000 e orienta es para a melhoria do desempenho ISO 9004 2000 cuja implementa o independente do tipo dimens o e setor de atividade das organiza es Estas duas normas formam um par consistente com estruturas e formatos alinhados A ado o generalizada destas normas justificada quer por fatores de competitividade quer por exig ncias formais dos clientes e da sociedade Constituindo um referencial aceite a n vel multissetorial e internacional disponibiliza um mapa para a defini o do SGQ que potencia a satisfa o dos diversos clientes de uma organiza o Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados A fam lia ISO 9000 constitu da por 4 normas principais a saber e ISO 9000 2000 sistemas de gest o da qualidade Fundamentos e vocabul rio Trata se de uma norma de base que descreve os princ pios b sicos terminologia e defini es nas quais as restantes normas da fam lia se fu
66. ly with the conservation of food The demanding food conservation requirements the need to sustain the general public trust on 1t with the goal to improve life quality has let to the creation of specific standards for this purpose The ISO 9000 series defines explicitly the relationship between quality assurance and metrology including guidelines to keep a check on the instruments and equipment thus making it necessary to implement a metrological process that allows a company to obtain or maintain their certification A greater awareness for this issue by companies and responsible technicians has been observed Quality control teams are created and there is a selection of tools that allow them to continuously measure and maintain the records required by the rules Aiming to meet these needs we developed throughout this project a tool that facilitates the activity of the quality control teams and can even transfer control to external entities that are responsible for simultaneously monitoring multiple facilities The development of a web application that allows locally or remotely to measure temperatures of conservation equipment temperatures and relative humidities of storage areas and the lighting conditions proved to be a real asset in this framework The aim of this project lays on the monitoring of storage conditions of products particularly in the areas of laboratorial clinical analysis and food industry This system has been des
67. m ambientes industriais Assim para garantir a flexibilidade e f cil integra o do sistema os dispositivos ou m dulos de comunica o dever o caracterizar se por e Independentemente das condi es exteriores poderem ser integrados no que diz respeito aos aspetos construtivos em inv lucros estanques e fisicamente robustos n o criando assim restri es na sua implanta o e Sendo desej vel a sua f cil integra o possu rem um interface e protocolos de comunica o normalizados possibilitando a liga es a dispositivos j existentes e Possu rem tamanho reduzido para maior facilidade de implanta o e Apresentarem baixa complexidade que estar associada tamb m a um baixo consumo energ tico conseguindo se assim uma autonomia alargada no caso dos dispositivos associados a baterias ou pilhas e Possuirem baixos custos construtivos e de implementa o e Possu rem fiabilidade elevada logo ter se de ponderar a rela o preco qualidade fiabilidade No que se refere implanta o esta deve ser t o f cil quanto poss vel de modo a que qualquer pessoa possa ap s a primeira instala o ser capaz de proceder a altera es e montagem evitando custos adicionais com equipas externas especializadas que na maioria dos casos s o bastante onerosas Cap tulo 1 Introdug o 1 4 Organiza o da Disserta o A organiza o da disserta o encontra se dividida em quatro cap tulos No
68. ma liga o ICSP e um bot o de reset A placa disp e de um vasto conjunto de dispositivos de apoio ao microcontrolador Para come ar a utilizar o Arduino Uno basta lig lo a um computador atrav s um cabo USB ou aliment lo atrav s de uma fonte de alimenta o DC ou bateria No manual t cnico do fabricante podem se consultar mais especifica es do dispositivo 3 Na Figura 3 1 est representada a plataforma do Arduino Uno onde se identificam os componentes principais e os pinos de liga o com o exterior 1098 7 65 2 3 DIGITAL o o 222 22 x Arduino Ex Ro o o www arduino gt POWER SY Gnd vin Figura 3 1 Arduino UNO A plataforma Uno difere de todas as antecessoras na medida em que n o utiliza o chip conversor USB para s rie FTDI Em vez disso utiliza o Atmegal6U2 Atmega8U2 at a vers o R2 programado como um conversor USB para s rie Na revis o 2 a plataforma Uno tem uma resist ncia que efetua a liga o do HWB 8U2 massa tornando a mais f cil de colocar em modo DFU Este modo permite de forma f cil uma atualiza o do firmware da placa Na revis o 3 para al m da introdu o de mais alguns pinos de utiliza o espec fica tais como o SDA e SCL destinados a comunicag o por BUS foi ainda introduzida a possibilidade 25 PWM Pulse width Modulation USB Universal Serial BUS 27 ICSP In Circuit Serial Programming 28 DC Direct current 2 FTD
69. magina o leva compreens o de uma ferramenta importante de desenvolvimento que abre portas cria o de in meras aplica es 3 3 Hardware do Arduino A tecnologia que aqui se descreve teve como origem a ousadia de um professor de artes Italiano Prof Massimo Banzi que pretendia que os seus alunos desenvolvessem projetos de arte com interatividade Assim em conjunto com um seu aluno David Mellis ano 2005 desenvolveram uma plataforma extremamente econ mica que lhes permitia uma programa o simples uma vez que se tratava de alunos de artes mas com grandes potencialidades O facto de ser uma plataforma aberta atrav s da sua divulga o na Web permitiu um r pido desenvolvimento e constantes melhorias assim como ao n vel programa o surgiram solu es e aplica es partilhadas por todos Desta forma gerou se uma onda de partilha de conhecimentos e experi ncias que aliado ao facto de se tratar de c digo aberto deu confian a aos utilizadores pois n o estariam dependentes de fabricantes para desenvolverem os seus pr prios sistemas Desde 2008 com a venda de milhares de placas de controlo a estudantes e projetistas do mundo inteiro apareceram in meras aplica es que v o desde lumin rias inteligentes at avi es auto pilotados Dada a exist ncias de diversas plataformas dispon veis no mercado com v rias alternativas no que diz respeito ao hardware s o as necessidades das aplica es e os recurso
70. mas fechados possibilitando apenas algumas configura es por parte do utilizador A maioria s o dispositivos acoplados por interm dio de cabos necessitando para tal de t cnicos especializados quer ao n vel da montagem quer ao n vel da manuten o ao longo da sua vida til tornando se assim bastante onerosos e dependentes 2 5 1 Caracter sticas Gerais Na sua maioria os sistemas de monitoriza o e controlo de temperaturas humidade e luminosidade baseiam se no mesmo princ pio Aquisi o de dados faz se por interm dio de sondas ex sondas de temperatura humidade entre outras ligadas geralmente por cabo a um computador ou aut mato que acondiciona os dados recolhidos e os processa Os dados podem depois ser observados e analisados pelos operadores sabendo se dessa forma o estado de conserva o e as condi es ambientais de trabalho Adicionalmente os sistemas permitem o registo e tratamento desses dados Os sistemas podem existir isolados ou constitu rem sistemas complexos integrados e inteligentes e utilizarem tecnologias diversificadas em fun o da sua aplica o Podem utilizar sensores anal gicos ou digitais para medir apenas uma ou diversas grandezas de natureza diferente A titulo de exemplo ser o aqui apresentados alguns sistemas comerciais pois a gama de op es muito vasta 19 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados 2 5 2 Exemplos de Sistemas a Monitorizag o de temperatura v
71. me a norma ISO IEC 17025 Informa o adicional pode ser consultada na subcl usula 7 4 1 da norma Nas calibra es externas os laborat rios acreditados que prestam o servi o de calibra o devem emitir certificados de acordo com o estabelecido na ISO IEC 17025 Estes devem indicar os valores de compara o com os padr es e a incerteza expandida de calibra o Nas calibra es internas e externas quando realizadas por entidades ou laborat rios n o acreditados necess rio a emiss o de documentos que traduzam a atividade desenvolvida bem como os valores obtidos incluindo a incerteza da calibra o e a rastreabilidade dos DMM utilizados a padr es internacionais ou nacionais reconhecidos isto que os resultados obtidos possam ser relacionados com determinadas refer ncias geralmente padr es nacionais ou internacionais por interm dio de uma cadeia ininterrupta de compara es tendo todas as incertezas determinadas cadeia de rastreabilidade 2 expect vel que a organiza o evidencie que analisou todo o equipamento e dispositivos de monitoriza o e de medi o que utiliza para verificar ou assegurar a conformidade do produto e que determinou a necessidade de calibra o de modo a assegurar resultados v lidos Quaisquer reclama es de clientes ou n o conformidades do produto que possam ser atribu das a problemas associados aos DMM devem ser investigadas e deve ser criada a a o corretiva apropriada
72. ment Protocol 20 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados b Monitoriza o da temperatura em sistemas de Refrigera o Congela o O Poseidon 2250 do fabricante HW group S R O pode monitorizar as condi es de armazenamento de alimentos ou produtos farmac uticos e permite gerir at 30 sensores Os sensores podem ser anal gicos e medir grandezas tais como temperatura humidade e press o suporta tamb m entradas digitais como se representa esquematicamente na Figura 2 9 Poseidon 2250 OW o bic EE Figura 2 9 Sistema Poseidon 2250 Apresentam se seguidamente algumas caracter sticas principais e Os valores recolhidos podem ser guardados na mem ria interna e tem capacidade para armazenar 40 000 registos e Possui um modo de alerta por E mail ou SMS sempre que o estado de um sensor exceda os limites estabelecidos e Permite a liga o a sistemas de monitoriza o SNMP e Suporta a liga o a um modem GSM e envia alertas SMS em caso de desvio ou erro na leitura de um sensor c Sistema de monitoriza o e controlo integrado de temperatura O Cryocell DD86 750 P do fabricante Norconcessus Figura 2 10 um sistema composto por uma c mara frigor fica vertical de duas portas e um microprocessador ao qual est o associados todos os sensores e atuadores 17 SMS Short Message Service 18 GSM Global System for Mobile Communications 21 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de
73. menta o de um Sistema de Aquisi o de Dados 3 8 Descri o e Funcionamento Geral do Interface TLab Este sistema divide se em tr s m dulos funcionais distintos com desenvolvimentos tamb m distintos z e M dulo Hardware o n cleo do sistema Baseia se no Arduino e na aplica o desenvolvida com vista aquisi o de grandezas recorrendo a dispositivos sensoriais Foi no desenvolvimento desta parte do sistema que se investiu mais tempo e tecnologia e M dulo Sincroniza o respons vel pela sincroniza o dos sinais obtidos pelos elementos sensoriais difundidos pelos m dulos de comunica o e a plataforma de monitoriza o e M dulo Monitoriza o permite atrav s do interface homem m quina e do software desenvolvido facilitar a interpretac o dos dados recolhidos A Figura 3 31 mostra a configura o do sistema M dulo f ulo M dulo Hardware Sincroniza o Monitoriza o Figura 3 31 M dulos do sistema O m dulo hardware baseia se num conjunto de sensores ligados ao micro controlador Arduino que atrav s de uma aplica o desenvolvida e adequada a cada tipo de sensor ir recolher os dados process los guard los e por fim transmiti los atrav s do m dulo de comunica o sem fios No m dulo sincroniza o est instalado um m dulo de comunica o sem fios que se destina a coordenar a rece o de dados Atrav s de uma aplica o instalada num computador ou servidor faz se
74. ndamentam e ISO 9001 2000 sistemas de gest o da qualidade Requisitos Esta norma a mais conhecida e na qual se assenta a certifica o O seu objetivo fornecer um conjunto de requisitos que permitam a uma organiza o demonstrar a sua capacidade e aptid o de forma consistente proporcionar produtos com qualidade que v o ao encontro dos requisitos do cliente e regulamenta o aplic vel e ISO 9004 2000 sistemas de gest o da qualidade Melhoria do desempenho nesta norma que s o fornecidas as recomenda es para os organismos que pretendam ir para al m dos requisitos da ISSO 9001 e que queiram desenvolver um sistema de gest o de qualidade que melhore a efici ncia e a efic cia organizacional e ISO 19011 2002 sistemas de gest o da qualidade Orienta o para auditorias Nesta norma s o definidas linhas de orienta o para auditorias a sistemas de gest o da qualidade e ou de gest o ambiental podendo as organiza es us las para desenvolverem os seus pr prios programas de auditorias e ou programas de avalia o de fornecedores Um vasto n mero de normas baseado na ISO 9000 No caso deste projeto o objetivo ser de ir ao encontro dos requisitos da ISO 9001 2000 e da sua revis o realizada em 14 11 2008 originando a ISO 9001 2008 Para a atual revis o de 2008 a ISO estabeleceu como objetivo apenas fazer clarifica es do texto da norma com base nos 8 anos de experi ncia da sua utiliza o em t
75. no momento da sinaliza o Este mecanismo permite mant los no modo sleep entre sinaliza es com evidente vantagem em termos de consumo energ tico diminuindo o seu fator de servi o duty cycle e consequentemente aumentar a autonomia da fonte de energia bateria pilha a que possam estar ligados O intervalo entre sinaliza es pode variar entre os 15 36ms e os 251 65s para uma taxa de transmiss o de 250kbit s No entanto h que ter em conta que a opera o com fator de servi o reduzido ou seja intervalos prolongados entre sinaliza es requer uma temporiza o de elevada precis o Este aspeto origina alguns problemas no funcionamento em rede dos dispositivos requerendo maior cuidado na sua escolha podendo por essa raz o n o se enquadrar em termos de custos No modo de n o sinaliza o non beaconing a maioria dos dispositivos mant m os seus recetores permanentemente ativos sendo o consumo energ tico mais significativo Normalmente neste modo s o utilizadas fontes de alimenta o permanentes ou unidades de alimenta o mais robustas e com maior autonomia 2 4 3 1 Tramas do Protocolo ZigBee Ap s a an lise da arquitetura topologia e opera o protocolar do ZigBee v o se analisar resumidamente os tipos de tramas utilizadas no protocolo que se podem observar de forma simples no esquema da Figura 2 7 Max 127bytes Bytes 2 1 0 20 Variable 2 fa Frame Sequence Address Payload Frame D
76. nsideradas tr s tipos de mem rias em que cada uma ter fun es destintas no desenvolvimento e execu o dos processos nomeadamente Mem ria Flash que permite o armazenamento do bootloader e do programa sketch a ser executado capaz de preservar os dados armazenados por um longo tempo sem a presen a de corrente el trica O bootloader a parte do programa que garante todas as premissas de arranque do Arduino e o sketch a aplica o desenvolvida pelo utilizador Mem ria SRAM utilizada pelo programa que ao ser executado cria e modifica os valores das vari veis necess rias ao seu funcionamento e limpa todas as vezes que iniciado o dispositivo Este tipo de mem ria id ntica mem ria RAM dos computadores Mem ria EEPROM utilizada para armazenar vari veis e informac o n o vol teis Por vezes devido necessidade de preservar o espa o de mem ria para processamento utilizada quer a mem ria Flash quer a EEPROM para guardar informa o com alguma 38 SRAM Static Random Access Memory 34 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados dimens o como por exemplo uma constante num rica Ex o n mero m Para tal recorre se a bibliotecas pr prias que possibilitam essa leitura e escrita Para a EEPROM pode se utilizar a biblioteca EEPROM h e para a mem ria Flash pode se recorrer biblioteca Pemspace h ou Flash h Pinout do Arduin
77. nstru o mais simples s duas classes anteriores de dispositivos f sicos correspondem tr s tipos de dispositivos l gicos Coordinator Router e Endpoint como se descreve na Tabela 1 Classes e tipos de dispositivos l gicos Tipo de dispositivo f sico associado FFD RFD ou FFD IEEE 802 15 4 Permite que mais n s se Forma a rede atribui juntem rede ao aumentar endere os suporta binding o seu alcance f sico Pode table Existe apenas um por tamb m efetuar fun es de rede controlo ou monitoriza o A sua exist ncia opcional Efetua a o de controlo ou monitoriza o atrav s de dispositivo que lhe esteja associado sensor controlador atuador Fun o Tabela 1 Classes e tipos de dispositivos l gicos 2 4 2 1 Forma o da Rede A forma o das redes ZigBee pode ser comparada com a atividade das abelhas De facto as abelhas que vivem em colmeia voam em ziguezague e dessa forma durante um voo de trabalho em busca de n ctar trocam informa es com outros membros da colmeia sobre dist ncia dire o e localiza o de alimentos Tamb m uma Malha ZigBee disp e de v rios caminhos poss veis entre os n s da rede para a passagem da informa o sendo poss vel assim eliminar falhas se um n estiver inoperante simplesmente mudando o percurso da informa o Uma vez que este protocolo perspetiva a rede de uma forma espont nea n o existe uma topologia pr de
78. ntrada Device Address tempDevice Address Variavel para armazenar os endere os dos dispositivos encontrados float my Temperatura 10 int nDevice Variavel para contador sensores encontrados float tempC EMI N 01d Setup A I EMI AAA AIRIS void setup Serial begin 9600 Iniciar a Porta serie inicializar a Bibliotecas Wire begin sensors begin Atribui variavelo valor da contagem de dispositivos numberOfDevices sensors getDeviceCount Localiza os dispositivos no BUS Serial print Dispositivos localizados Serial print numberOfDevices DEC Serial printin Sensores Verifica o do estado da alimenta o parasite power dos Sensores Serial print Alimentacao dependente if sensors isParasitePowerMode Serial printIn Ligada Serial printIn Sensores alimentados pelo cabo de BUS else Serial printin Desligada Serial printin Sensores alimentados por fonte externa Loop atrav z dos dispositivos para recolher os endere os for int i 0 i lt numberOfDevices i procura os endere os no BUS if sensors getAddress tempDeviceAddress 1 Serial print Dispositivo Anexo 5 2 Anexo 5 C digo para Arduino do TLab Serial print 1 DEC Serial print com endereco printAddress tempDevice Address Serial printin Serial print Ajuste de resolucao para Serial printin TEMPERATURE PRECISION DEC
79. o Serial printin nDevice DEC mediaTemperature tempDevice Address calcula a M dia Resposta imediata dos sensores printTemperature tempDeviceAddress para ler os dados Serial print temperatura armazenada Serial printIn tempC tempArmazenada myTemperatura nDevice tempC myTemperatura nDevice tempArmazenada valor myTemperatura nDevice Serial print coluna Serial print nDevice Serial print Acomulado Serial printin valor verifica o estado das liga es atrav s da resposta do endere o else Serial printin Ocorreu um problema verifique cabos e liga es dos sensores Erro 01 Serial println kkkkkk Para valores medios 7 kN for int nDevice 0 nDevice lt numberOfDevices nDevice Serial print Contador Serial println contador float acomulado myTemperatura nDevice Serial print Sensor Serial print nDevice Serial print T Serial print acomulado numberOfSample Serial print A I Bloco de Fun es MMM Anexo 5 7 Anexo 5 C digo para Arduino do TLab Anexo 5 8 i void Menuentrada Serial printin Serial printin Serial printIn Para leitura dos sensore digite uma das letras Serial printin Serial printin Para leitura de Humidade Relativa e temperatura do Local Tecla h Serial println Para leitura da luminosidade do Local Te
80. o Como j foi referido anteriormente na sec o 3 3 2 Arduino Mega o Arduino disponibiliza 54 pinos digitais de entrada sa da em que 14 desses pinos podem ser utilizados como sa das PWM Eles operam tens o de 5 V e cada pino pode fornecer ou receber no m ximo 40 mA de corrente e possuem uma resist ncia interna de 20 a 50 KQ S o ainda disponibilizados 16 pinos para entradas anal gicas Para este efeito o microprocessador possui internamente um conversor ADC de 10 bits Assim o n mero de combina es poss veis 21 1024 e como a tens o m xima de 5V correspondendo ao valor 1023 obt m se a seguinte resolu o 1 0 00488 V 5mV 1 1024 Deste modo s se conseguem detetar varia es superiores a 5 mV ou seja o valor lido pelo Arduino s se altera a cada 5 mV de varia o do sinal anal gico de entrada 5 Em determinadas aplica es a resolu o do Arduino n o aceit vel como por exemplo quando se utilizam determinados tipos de sensores anal gicos em que desse modo existe uma grande perda de resolu o Nestes casos sem recorrer a eletr nica externa pode se utilizar o pino AREF do Arduino para melhorar a resolu o Este pino permite alterar a refer ncia anal gica habitual 5V para o valor de tens o adequado Todas as entradas anal gicas ficam afetadas com a nova refer ncia introduzida Exemplificando se for introduzido no pino AREF a tens o de 2V obt m se a seguin
81. o caso dos dispositivos terminais o endere o de destino optando se pelo endere o fixo de f brica de 64 bits do XBee coordenador uma vez que este que recebe os dados de todos os Interfaces TLab como se mostra na Figura 3 30 BR COM25 X CTU Modem Parameter Profile Remote Configuration Versions PC Settings Range Test Terminal Modem Configuration Modem Parameter and Firmware Parameter View m Profile Versions Write Restore Clear Screen Save Download new Show Defaults Load T Always Update Firmware versions Modem XBEE PRO Function Set Version xeP24 28 v ZIGBEE COORDINATOR API y 2187 y 0 1D PAN ID E 3FFF SC Scan Channels B 3 SD Scan Duration E 0125 ZigBee Stack Profile ED FF NU Node Join Time 89058B85C94DCD 453 OP Operating PAN ID E BFCF O Operating 16 bit PAN ID E 12 CH Operating Channel E 4 NC Number of Remaining Children 3 Addressing E 134200 SH Serial Number High E 406F178D SL Serial Number Low E 0 MY 16 bit Network Address 0 DH Destination Address High FFFF DL Destination Address Low B NI Node Identifier 1E NH Maximum Hops E 0 BH Broadcast Radius B FEL AR 2 Marta fna Renta Arnadoaot Time Change networking settings COM25 96008 N 1 FLOW NONE XBP24 2B Ver 2147 Figura 3 30 Configura o do XBee coordenador utilizando a ferramenta X CTU 57 Cap tulo 3 Imple
82. o destinat rio tornando a trama da mensagem bastante simples e Remote Command Request usado este tipo de mensagem quando se pretende enviar um comando para um m dulo remoto Neste caso necess rio enviar o endere o do destinat rio ou efetuar uma transmiss o em difus o broadcast em que todos os m dulos da rede poder o receber a mensagem As mensagens chegar o sempre ao coordenador que ser o respons vel por faz la chegar ao destinat rio o pr prio firmware do XBee que realiza o tratamento necess rio para que as mensagens sejam difundidas com sucesso entre os m dulos de acordo com o protocolo ZigBee tamb m o coordenador o respons vel pelos avisos caso uma mensagem n o tenha chegado ao destino Esta funcionalidade de m xima import ncia para garantir a confian a no sistema A comunica o necess ria entre os m dulos para a gest o e controlo dos dispositivos faz se atrav s dos comandos disponibilizados pela API do XBee Para um conhecimento da totalidade dos comandos disponibilizados pode ser consultado o manual do XBee disponibilizado pelo fabricante 9 Na Figura 3 29 est representada a estrutura dos comandos para serem enviados aos m dulos XBee e seguidamente s o apresentados alguns dos comandos AT ASCII Espaco Par metro Terminador Nia Comando Y Opcional Opcional HEX de comando a Exemplo ATDL 1F lt CR gt Figura 3 29 Formato dos comandos AT Para se confi
83. odo o mundo n o introduzindo novos requisitos Embora existam algumas altera es em rela o ao texto de 2000 a SGS ICS Soci t G n rale de Surveillance S A Servi os Internacionais de Certifica o Lda considera que as clarifica es ora formalizadas coincidem com o seu entendimento desde sempre adotados na pr tica de Auditoria e Certifica o dos sistemas de Gest o da Qualidade dos seus Clientes Por esta raz o expect vel que a ISO 9001 2008 ter impactos relativamente reduzidos nos SGQ adequadamente implantados e j certificados pela SGS ICS segundo a ISO 9001 2000 Neste sentido seguidamente referem se alguns aspetos da ISO 9001 2000 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisig o de Dados 2 3 Enquadramento da ISO 9001 2000 Como j vimos anteriormente a ISO 9001 2000 estabelece o prop sito de definir requisitos para o sistema da qualidade no intuito de permitir organiza o fornecer de forma consistente produtos que v o ao encontro das necessidades dos seus clientes e dos requisitos estatut rios regulamentares relevantes Nesse sentido seguidamente abordam se os aspetos relacionados com o processo de produ o na vertente do controlo dos dispositivos de monitoriza o e medi o nos SGQ Uma an lise mais pormenorizada de todos os requisitos pode efetuar se consultando o documento original da norma As normas ISO 9000 destinaram se sempre a uma aplica o de acordo com a natureza da organiza
84. ogias de rede que podem ser utilizadas nas redes ZigBee Topologia em estrela Na topologia em estrela Star ao coordenador que cabe iniciar a rede assim como ter todo o controlo da mesma assumindo um papel central e de comunica o direta com todos os dispositivos escravos ou dispositivos finais Assim toda a informa o que circula na rede passa pelo n coordenador Figura 2 4 Coordenador Roteador Q Escravo Dispositivo final Figura 2 4 Topologia estrela Esta topologia deve ser implementada em locais que n o ofere am muitos obst culos transmiss o e rece o 13 RED Full Function Device 16 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados Topologia em rvore Nesta estrutura de rede Cluster Tree o coordenador assume o papel de n nuclear da rede originando uma distribuig o de dados e mensagens de controlo numa estrutura hier rquica em que o Coordenador apenas se liga ao roteador router e este que assume a ligac o com os escravos Esta topologia est ilustrada na Figura 2 5 Coordenador Roteador oO Escravo Dispositivo final Figura 2 5 Topologia em rvore Topologia em malha Numa topologia em malha Mesh os dispositivos do tipo FFD Coordenadores Roteadores s o livres de comunicar com outro dispositivo FFD Isto permite a expans o f sica da rede maior alcance quando necess ria O coordenador regista toda a entrada e sa da de dispositivos ma
85. olo correto e adequa o das caracter sticas do produto final quer ao n vel do resultado das an lises cl nicas quer ao n vel dos produtos alimentares existem diversos Cap tulo 1 Introdug o sensores aplic veis ao longo dos processos nomeadamente temperatura humidade e luminosidade N o sendo o objetivo desta disserta o abranger exaustivamente todas as situa es poss veis pretende se desenvolver um conjunto de Dispositivos n com comunica o sem fios rooter end device tendo em vista o acoplamento de diversos tipos de sensores possibilitando assim uma comunica o com aus ncia de fios dos dados recolhidos pelos sensores e Uma unidade central principal coordinator ligada a uma unidade de processamento CPU que permite em tempo real processar a informa o monitorizar e efetuar a gest o de alarmes Nos processos produtivos existem condi es particulares de implanta o dos sensores nomeadamente no que se refere sua mobilidade embora na maioria dos casos os sensores permanecer o fixos e est ticos No entanto por vezes devido s condi es de produ o ou reorganiza o frequente dos espa os de armazenamento ou transporte de produtos necess ria uma total autonomia energ tica dos sensores sendo por isso necess ria a utiliza o de pilhas e ou baterias Os dispositivos devem tamb m ser suficientemente robustos tendo em conta a sua aplicabilidade e
86. omunica es para criar as redes de interliga o para os servi os de voz e alguns servi os de dados A Figura 2 1 mostra as diversas redes sem fios Global Wireless Standards IEEE 802 20 SAN 3GPP EDGE GSM IEEE 802 11 Figura 2 1 Redes sem fios normalizadas J existem implementa es de redes de comunica o sem fios h alguns anos como s o os casos das redes WLANs WMANs e WWANs todas vocacionadas para os utilizadores finais PME e mesmo grandes empresas onde o objetivo a transfer ncia de grandes volumes de dados e voz em altas velocidades S o poucas as redes sem fios destinadas exclusivamente ao controlo de dispositivos como rel s dispositivos eletromagn ticos ventila o aquecimento e motores De igual forma 11 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisig o de Dados mesmo ao n vel dom stico s o poucas as redes sem fio utilizadas no controlo de pequenos eletrodom sticos brinquedos e na aquisi o de dados de sensores como temperatura luminosidade humidade press o entre outras grandezas No seio das redes WPAN Wireless Personal Area Network existentes a mais recente e promissora a que usa o protocolo ZigBee IEEE 802 15 4 A ZigBee Alliance quem desenvolve o protocolo ZigBee junto do IEEE atrav s da associac o de v rias empresas Trabalham em conjunto para proporcionar e desenvolver tecnologias para criar um protocolo de baixo consumo de energia baixo custo com seguran a f
87. ondi es espec ficas de conserva o antes de serem servidos ou no armazenamento de mat ria prima para confe o alimentar O sistema pode ainda utilizar se na ind stria e com rcio de congelados O sistema permitir a supervis o em tempo real local e remotamente de um conjunto de dados nomeadamente de temperatura humidade relativa e ilumina o em locais de armazenamento c maras frigor ficas estufas e locais de trabalhos espec ficos O sistema permitir ainda a visualiza o de hist ricos e de alarmes em tempo real Para al m do interface homem m quina efetua se um registo em base de dados de toda a informa o recolhida em tempo real assim como o tratamento gr fico dessa informa o podendo ainda ser disponibilizada em suporte de papel 1 3 Objetivos e Requisitos do Sistema Tendo como base os procedimentos existentes nos laborat rios de an lises cl nicas no que concerne ao tratamento e conserva o quer de amostras recolhidas de pacientes quer de alguns tipos de produtos e reagentes utilizados nos v rios exames a realizar de m xima import ncia manter monitorizadas as condi es ambientais e de conserva o dos mesmos O mesmo se passa nos processos de produ o alimentar O acompanhamento dos produtos para confe o alimentar extremamente sens vel no que diz respeito ao armazenamento em c maras frigor ficas ou estufas de conserva o e secagem humidifica o entre outras Para um contr
88. para definir os limites de alarme e ainda especificar a resolu o do sensor Para ler a partir da SCRATCHPAD emite se um comando READ SCRATCHPAD BEh e na resposta recebem se 9 bytes de dados ver Figura 3 16 Ent o podemos obter uma temperatura de acordo com a seguinte f rmula 3 Temp HighByte lt lt 8 LowByte 0 0625 3 Em que lt lt 8 a posig o do bit significativo lt lt bitshift left e 0 0625 um coeficiente de convers o entre os valores internos do sensor de temperatura e a temperatura real de acordo com a resolug o 12 bit para este exemplo Cada degrau na escala do sensor representa 0 0625 C 43 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados SCRATCHPAD POWER UP STATE Byte O Temperature LSB 50h 85 C Byte 1 Temperature MSB 05h i Byte 3 Tr Register or User Byte 2 Byte 4 Configuration Register Byte 5 Byte 7 Byte 8 Figura 3 16 Estrutura da Mem ria SCRATCHPAD Todo este processo est j desenvolvido e dispon vel em forma de biblioteca bastando para isso inclui la na aplica o De uma forma perfeitamente transparente a aplica o apenas efetua os pedidos de identifica o e leitura obtendo de imediato os resultados Esta metodologia facilita bastante o desenvolvimento de aplica es sem requerer um conhecimento detalhado dos comandos para ler ou escrever na SCRATCHPAD A Figura 3 17 mostra um extrato do
89. para o desenvolvimento de projetos de grande complexidade n o estando deste modo dependentes de fabricantes ou de sistemas comerciais j desenvolvidos e de custos normalmente elevados O Ardu no disponibiliza um Interface de Desenvolvimento IDE muito simples onde se faz toda a programa o sendo esta uma aplica o multiplataforma escrita em Java Com a biblioteca Wiring poss vel programar nas linguagens C e C Com as fun es setup e loop poss vel criar v rias opera es de entrada e sa da Existe alguma sintaxe pr pria de fun es j concebidas para simplificar a programa o Tamb m neste interface IDE e ap s a programa o conclu da pode se fazer a transfer ncia do programa para o Ardu no upload atrav s de um cabo USB Seguidamente podem realizar se testes de funcionamento obtendo se resultados imediatos dessa programa o Como ferramenta usualmente associado filosofia de Physical Computing ou seja ao conceito que engloba a cria o de sistemas f sicos atrav s do uso de Software e Hardware capazes de responder a est mulos vindos do mundo real 2 Bibliotecas de programa o Na literatura anglo sax nica conhecida por Library 21 IDE Integrated Development Environment Interface de Desenvolvimento 21 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados Atrav s de uma aprendizagem simples e dedicada o estudo do Arduino aliado i
90. ra Devido sua forma de encaixe no Arduino permite uma maior acessibilidade aos pinos livres Adicionalmente utiliza a liga o ICSP e disponibiliza uma liga o f cil a todos os terminais do m dulo XBEE EI Figura 3 11 Exemplo de m dulo Shield XBee Pro V1 1 39 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados 3 4 Sensor Digital de Temperatura DS18B20 O sensor digital de temperatura DS18B20 internamente tem um ADC que permite a medi o de temperatura com uma resolu o ajust vel de 9 a 12 bits que permite ajustar e aumentar a precis o do sensor Quanto maior a resolu o escolhida tamb m maior o tempo de convers o Tem ainda incorporadas fun es n o vol teis program veis pelo utilizador para alarme de temperatura m xima e m nima E Al o A comunica o com este sensor do tipo One Wire que por defini o requer apenas uma linha de dados para a comunica o com um microprocessador central no pressuposto de haverem linhas de alimenta o a ligar os dois dispositivos Este protocolo de comunica o foi desenvolvido pela Dallas Semiconductor Corp 6 que um fabricante de componentes eletr nicos nomeadamente de uma grande variedade de sensores Consiste num BUS de dados dois fios partilhado por v rios sensores a ele ligados um dos fios designado por ground e outro onde fluem simultaneamente os dados e a alimenta o Na Figura 3 12 ilust
91. ra se a liga o destes dispositivos 5H4 1 EEPROM Figura 3 12 Liga o de dispositivos One Wire Os dispositivos One wire t m como principal caracter stica necessitarem de uma corrente de alimenta o muito reduzida Desta forma conseguem alimentar se do pr prio BUS de dados carregando um condensador interno quando o BUS est com n vel de tens o alto Este modo de opera o chamado modo parasita podendo assim evitar o uso de fontes de alimenta o externas Este protocolo vi vel para a utiliza o de diversos sensores para fun es diferentes como por exemplo medi o de temperaturas acelera es humidade entre outros O protocolo de comunica o entre os dispositivos e o microcontrolador do tipo mestre escravo Os dispositivos uma vez ligados por interm dio de um BUS funcionam como escravo de um sistema existindo no mesmo BUS um dispositivo microcontrolador mestre que efetuar a identifica o de todos os dispositivos ligados por interm dio da leitura dos endere os One Wire Um fio Modo parasita na literatura anglo sax nica referido como Parasite Power 40 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados internos Esta identifica o dos sensores nica e composta por 64 bits gravada numa ROM quando fabricados e podem ser instalados at 127 dispositivos no mesmo Bus A informa o circula no BUS em forma de trama contendo os dados
92. res de temperatura DS18B20 ligados em BUS Zona designada por Sala Reuni es foi instalado um sensor de temperatura e humidade DTH11 e dois sensores de temperatura DS18B20 ligados em BUS Pela observag o do gr fico da Figura 3 36 que representa os dados recolhidos pelo sensor 1 e sensor 2 do tipo DS18B20 temperaturas no per odo decorrido aproximadamente entres as 62 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados 9 30 e as 10 30 horas do dia 17 de Setembro de 2012 Os valores est o dentro dos padr es normais de temperatura por isso n o foram gerados alarmes 5 tlab e C localhost zbit tlab pt relatorios result wi eta Ha Esta p gina est em Ingl s Pretende traduzi la Traduzir N o m 4 Nunca traduzir do Ingl s Op es y x Inicio Setup Relatorios Gr fico From Sep 19 2C To 2 Sep 19 2C Escala Wednesday Sep 19 10 21 27 Sen_1 29 5 sen_2 24 5 Figura 3 36 Gr fico de temperaturas captadas pelo sensor DS18B20 Podemos observar no gr fico da Figura 3 37 a variac o da humidade relativa do ar ao longo de um per odo de duas horas no dia 6 de Setembro de 2012 e que representa o ensaio do sensor de temperatura e humidade do tipo DHT11 a e tlab Ce 5 localhost zbit tlab pt relatorios result a Esta p gina est em Ingl s Pretende tradu
93. rminado sensor e os valores obtidos estejam fora dos par metros estipulados pelas configura es gerada na janela do pr prio gr fico uma mensagem em roda p de cor vermelha Contudo se o desvio se verificar num sensor que n o esteja a ser monitorizado nesse instante gerada igualmente uma mensagem que gravada em ficheiro do tipo CSV Este ficheiro pode ser consultado diretamente atrav s da plataforma Web do TLab Figura 3 39 ou ser usada por qualquer folha de c lculo compat vel com o tipo de ficheiro para posterior tratamento 50 CSV Comma Separated Values 64 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados A mensagem composta pela data e hora da ocorr ncia pela identifica o do sensor e o valor de leitura antecedido do limite configurado como se mostra na Figura 3 39 Lista de mensagens de alarmes D tla x gt GZ OG localhost zbit tiab pt relatorios erros Temperature Lab Inicio sen_1 0 csv O sen 2 2 csv 2012 09 07 11 13 05 O Sensor sen_2 exedeu o valor m ximo de 30 lt 30 50 2012 09 07 11 13 10 O Sensor sen_2 exedeu o valor m ximo de 30 lt 31 00 sens o csv Figura 3 39 Lista de mensagens de alarmes 65 Cap tulo 4 Conclus es e Trabalhos Futuros A partir das necessidades verificadas em algumas atividades econ micas nomeadamente na ind stria laboratorial e ind stria de cons
94. roprocessadores cl ssicos que normalmente s o constitu dos por um circuito integrado com a capacidade de executar determinadas instru es e os componentes que garantem a sua funcionalidade s o externos ao processador estando interligados pelos barramentos como se pode ver na Figura 3 5 Esta abordagem cl ssica tem as desvantagens inerentes comunica o sendo a sua velocidade de processamento determinada por um circuito externo que produz um determinado clock 32 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados BARRAMENTO DE ENDERECOS BARRAMENTO DE DADOS LI BARRAMENTO DE CONTROLE Lit Jif MEMORIA DISPOSITIVOS DISPOSITIVOS EXTERNA DE ENTRADA DE SA DA f MICROPROCESSADOR Figura 3 5 Microprocessador cl ssico e seus perif ricos O poder de processamento dos microprocessadores depende de caracter sticas como o comprimento da palavra processada em bits quantidade de n cleos arquitetura apresentada tipo de instru es entre outras Como fator de grande import ncia tem se ainda a exist ncia de mem ria externa onde est o armazenados os programas que ser o executados Na Figura 3 6 podemos ver exemplos de alguns componentes que se encontram dispon veis num nico circuito integrado do microcontrolador conseguindo reunir uma grande quantidade de recursos Osc
95. rotocolo ZigBee As duas camadas inferiores a camada f sica PHY e a camada de controlo de acesso ao meio MAC foram definidas pelas norma IEEE 802 15 4 As restantes camadas de rede foram concebidas especificamente para o protocolo ZigBee Tais camadas s o a camada de rede NWK e o Framework para a camada de aplica o API Nesta ltima camada est o inclu das a subcamada de suporte aplicacional APS que asseguram a ligag o da camada de aplica o e o objeto de dispositivo ZigBee ZDO ZigBee Device Object Seguidamente descreve se as camadas do protocolo ZigBee e IEEE 802 15 4 PHY A camada f sica PHY foi projetada para acomodar as necessidades de interfaces de baixo custo permitindo n veis elevados de integrac o O uso da t cnica de transmiss o de Sequ ncia Direta permite que os equipamentos sejam muito simples possibilitando implementa es com custos reduzidos 3 MAC Medium Acess Control camada de controlo de acesso ao meio 6 SAP Service Access Point 7 OSI Open Systems Interconnection DSSS Transmiss o de sequencia direta Direct sequence Spread Spectrum 13 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisig o de Dados e IEEE 802 15 4 MAC A camada de controlo de acesso ao meio foi prevista para permitir topologias m ltiplas com baixa complexidade onde a gest o de energia por exemplo n o requer modos de opera o complexos Esta camada tamb m permite que um dispositivo com funcionalida
96. s A ferramenta IDE fornecida pelo pr prio fabricante do Arduino e descarregado do pr prio s tio Na Figura 3 8 mostra se o Interface IDE Este ambiente de desenvolvimento constru do em Java compat vel com qualquer sistema operativo existente no mercado Particularmente para quem se inicia em programa o de microcontroladores um ambiente amig vel muito simples e intuitivo 36 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados Quando executamos o IDE temos de ter em conta qual a placa que estamos a usar para que o IDE reconhe a o bootloader e consiga enviar o seu c digo corretamente para a placa Depois seleciona se a porta s rie virtual que est ligada ao Arduino Ap s estas configura es pode se ent o come ar a utilizar o IDE para o desenvolvimento da aplica o Uma vez conclu da a aplica o ser apenas necess rio efetuar o upload para o Ardu no e visualizar o respetivo resultado O software Arduino inclui um monitor s rie o que permite que dados simples de texto possam ser enviados de e para a placa Arduino atrav s de uma liga o s rie externa e ainda como de desenvolvimento livre tem a particularidade de possuir uma grande cole o de bibliotecas Algumas das bibliotecas j v m com o IDE e outras podem ser descarregadas do pr prio s tio do Arduino ou de outra fonte que esteja dispon vel Adicionalmente o utilizador pode criar as suas pr prias bibliotecas Para s
97. s n o assume um papel t o preponderante em termos de fluxo de informa o como na configura o em estrela podendo deixar parte do controlo ao cuidado dos roteadores A Figura 2 6 mostra a configura o desta topologia Coordenador Roteador O Escravo Dispositivo final Figura 2 6 Topologia em malha Esta rede auto organiza se de forma a otimizar o tr fego de dados podendo abranger reas geogr ficas relativamente extensas como por exemplo um pr dio de grandes dimens es 2 4 3 Modo de Operac o da Rede Devido ao protocolo ZigBee ser relativamente simples fica facilitado o desenvolvimento do c digo o que contribui para os custos reduzidos no desenvolvimento de aplica es Outro fator que simplifica o desenvolvimento de aplica es o facto de haver apenas dois modos de funcionamento active e sleep tanto para envio como para rece o 17 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados Adicionalmente o protocolo possui tamb m um tempo reduzido de liga o rede e uma transi o r pida entre modos de funcionamento fazendo com que o ZigBee apresente uma lat ncia baixa Considerando as caracter sticas atr s referidas os m dulos podem ser configurados de modo a operarem em modo de sinaliza o beaconing em que os n s ZigBee roteadores transmitem periodicamente sinaliza o beacons a confirmar a sua presen a como n s que formam a rede Os restantes n s s necessitam de estar ativos
98. s necess rios que determinam a escolha da placa Os crit rios de decis o baseiam se no n mero de entradas e sa das necessidade de portas de comunica o s rie portas anal gicas tamanho f sico consumo energ tico capacidade de mem ria onde gravado o programa do utilizador memory flash que executado ciclicamente RAM e tamanho do espa o de mem ria n o vol til EEPROM que armazena a informa o mesmo ap s a falha de energia de alimenta o Considerando o referido anteriormente a escolha do hardware recaiu sobre as plataformas do Arduino Uno e Mega que apresentam caracter sticas mais do que suficientes para o projeto como se descreve adiante No entanto para al m destas plataformas seguidamente tamb m se descrevem outras pois no futuro poder o ser integradas em posteriores expans es deste projeto 2 Codigo Aberto Na literatura anglo sax nica conhecida por Open Source 23 RAM Random Access Memory Mem ria de acesso aleat rio 2 EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory 28 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados 3 3 1 Arduino Uno Zz A plataforma Arduino Uno uma placa baseada no microcontrolador ATmega 168 ou ATmega328 Possui 14 pinos de entradas sa das digitais dos quais 6 podem ser usados como sa das PWM 6 entradas anal gicas um cristal oscilador de 16 MHz uma ligag o USB uma liga o para alimenta o u
99. s necessidades dos processos produtivos e resultados finais como por exemplo atrav s de estudos estat sticos Os custos associados s calibra es s se justificam pela exig ncia do resultado final Os custos inerentes calibra o s o normalmente elevados pelo que a organiza o deve assegurar a identifica o das necessidades de calibra o dos DMM para dar confian a s medi es e satisfazer os requisitos de qualidade dos seus produtos De igual forma devem ser contemplados na calibra o os programas desenvolvidos e materiais de ensaio bem como os padr es de refer ncia Cap tulo 2 Sistemas de Aquisig o de Dados Os DMM selecionados como estando sujeitos a calibra o devem estar identificados Outros equipamentos de medi o existentes que n o est o sujeitos a calibra o devem igualmente ser identificados por forma a possibilitarem a sua gest o em termos de manuten o 2 Para os DMM selecionados necess rio estabelecer como se vai efetuar a confirma o metrol gica responsabilidades associadas e periodicidade assegurando a rastreabilidade a padr es de medi o internacionais ou nacionais As calibra es devem ser realizadas por pessoal com compet ncia adequada subcl usula 6 2 2 em condi es ambientais apropriadas cuja evid ncia particularmente relevante no caso de calibra es internas ou externas quando efetuadas por entidades ou laborat rios n o acreditados confor
100. s v rias aplica es Normalmente s o preparados para serem acoplados ao Arduino de uma forma f cil encaixando sobre a placa base Atrav s das suas bibliotecas inclu das na aplica o esta fica de imediato pronta a funcionar Normalmente a arquitetura dos shields permite ainda a utiliza o dos pinos do Arduino e na maioria dos casos podemos encaixar v rios shields uns por cima dos outros N o querendo alargar em demasia os objetivos deste projeto ser o abordados aqui de uma forma simples apenas os shields utilizados para o acoplamento dos m dulos de comunica o XBee 3 3 8 XBee Shield Este Xbee shield permite que uma placa Arduino comunique sem fios usando o protocolo ZigBee e baseia se no m dulo de Xbee MaxStream O m dulo pode comunicar a uma dist ncia m xima de 1 6 km ao ar livre desde que haja linha de vista mas estes valores estar o dependentes do tipo de m dulo Xbee utilizado Este assunto ser abordado na secg o 3 7 deste documento O XBee shield pode ser usado como alternativa comunica o s rie ou USB ou pode ser colocado em modo de comando e ser programado para uma rede de transmiss o com diversas configura es A Figura 3 10 mostra um exemplo de m dulo XBee shield Figura 3 10 Exemplo de m dulo Xbee Shield V03 Apenas por motivos meramente experimentais foi ainda testado e usado neste trabalho um outro Shield Figura 3 11 com caracter sticas id nticas s variando na sua arquitetu
101. sal Asynchronous Receiver Transmitter ZigBee Device Object XIV Cap tulo 1 Introduc o 1 1 Contexto Num ambiente de laborat rio num local de armazenamento e conserva o ou em locais de prepara o de produtos que necessitem de condi es especiais somos obrigados a cumprir regulamentos espec ficos e a respeitar os planos diretores de valida o das grandezas ambientais tais como a temperatura a humidade e luminosidade A metrologia como ci ncia das medi es est na base de qualquer atividade t cnica e proporciona o desenvolvimento tecnol gico associado qualidade de produtos e servi os A crescente exig ncia dos mercados consumistas tem vindo a originar uma uniformiza o na qualidade dos produtos e servi os que v o desde o processo de fabrico passando pelo embalamento e transporte dos mesmos at forma como estes s o colocados nos expositores de venda Em qualquer uma destas etapas est presente uma premissa que Garantia de satisfa o e qualidade Ao longo do trajeto de produ o transporte e distribui o de um produto ou mesmo na presta o de determinados servi os especializados necess rio desenvolver mecanismos de controlo de processos normalmente associados a grandezas mesur veis nomeadamente temperaturas humidades densidades luminosidade velocidades entre outras Desta forma as tecnologias modernas tendem a adaptar se e a evoluir tecnologicamente com o objetivo de
102. sreesetsresersstestsersseesseserestesseseresreeseese 56 Figura 3 30 Configura o do XBee coordenador utilizando a ferramenta X CTU 57 Figura 3 31 M dulos do SIEM TEAR cadet ia ga 58 Figura 3 32 Diagrama de blocos da rede do sistema TLab 59 Figura 3 33 Aplica o e sincroniza o TLab ese corn n con nnnnnos 60 Figura 3 34 Modelo entidade relacionamento da base de dados 61 Figura 3 35 Plataforma Web Labio ipias 62 Figura 3 36 Gr fico de temperaturas captadas pelo sensor DS18B20 63 Figura 3 37 Gr fico de humidade relatiVa oooonnccconnnonocnnnnnonncconncannnonanonn nono nnnnnanonnccnn ccoo nnnnnes 63 Figura 3 38 Gr fico da luminosidade A da 64 Figura 3 39 Lista de mensagens de alarmes ui il 65 Figura Anexo l 1 Arduino Leonardo ci ida Anexo 1 1 Figura Anexo 1 2 Arduino Lily Pad ooooonnocccnnncoconnocononnnonnnaconnnaconnnocoonnonnonanononos Anexo 1 1 Figura Anexo l 3 Arduino Ethernet ss usaria doses dessa la apra sis pasta atado sp festejar pago Anexo 1 2 XII NDICE DE TABELAS Tabela 1 Classes e Tipos de Dispositivos L BICOS oooocoocccconcccnoncnononcnononcncnnncncnnncccnnncnonncnnnns 15 Tabela 2 Caracter sticas do sensor DS18B20 ooonoocccononococcnononconoconononcnnnnnnncnnnonoss Anexo 2 1 Tabela 3 Modelos e caracter sticas ad ia Anexo 2 1 Tabela 4 Caracter sticas Gerais DHT 1 Loc
103. sso utilizando equipamento de medi o Se for este o caso estes dispositivos devem cumprir os requisitos desta cl usula da norma ou ainda quando aplic vel o cumprimento dos requisitos regulamentares Sempre que necess rio a calibra o dos DMM deve ser realizada para fornecer resultados v lidos sobre a conformidade do produto em rela o aos requisitos especificados Em alguns casos e necessariamente para Processos Especiais subcl usula 7 5 2 da norma isso pode requerer a calibra o do equipamento utilizado para medir par metros do processo Devem ser identificados quais os DMM que servem para inspecionar medir e ensaiar caracter sticas consideradas relevantes dos produtos recebidos em curso de produ o ou finais bem como os DMM que medem par metros essenciais para o controlo dos processos com influ ncia na conformidade do produto desde que os resultados dessas atividades processos sejam necess rios para proporcionar evid ncia da conformidade do produto com os requisitos aplic veis S necess rio aplicar a confirma o metrol gica aos DMM cujos resultados sirvam para proporcionar a evid ncia da conformidade e tomada de decis o de aceita o rejei o de produto Uma considera o importante que n o necess rio calibrar todos os DMM A organiza o deve suportar as suas decis es com base na an lise estudos e considera es relevantes decorrentes quer da experi ncia existente quer da
104. steals a E an TEAR T NS 54 Doro OTE ALOE DADOS do 55 S74 Comandos AT APT 2 2556 OCG Sea EG OE ial 55 Sil Endere amento osr NEN RONAN RN E RR rE E 57 3 8 Descri o e Funcionamento Geral do Interface TLab ooooonnnnccnnnncccnoncccnnaccnnonnnonnnos 58 3 9 Resultados OOO a o e e ene dr oa Oia 62 Cap tulo 4 Conclus es e Trabalhos FUtULOS ooooonncccnoncccnonccononcnonnncnonnncnononcncnnncnnnnnncnnnnnnos 67 REBERENCIAS sus nt Sheesh a TE a a e a Degen 69 NDICE DE FIGURAS Figura 2 1 Redes sem fios normalizadas 0 ie 11 Figura 2 2 Camadas do modelo OST A apagou 13 Figura 2 3 Estrutura de camadas do protocolo ZigBee errar 13 A Topologia Estela sanada A DRA Sa UE 16 Figura 2 5 Topologia A a 17 Fig ra 2 6 Topologia Em malhas sienai eiieeii i a ie 17 Figura 2 7 Tramas do comando MA Conil lega 18 Fistral 2 67 Sistema HW BS TE a ii ibi 20 Figura 2 9 Sistema Poseidon 22 Uralita 21 Figura 2 10 Sistema Cryocell DD86 J50 en caine it 22 Figura 3 1 Arduino UNO sui 29 Fig ra 3 2 Arduino MEP A aa Rae 30 Figura 3 3 Arduino e ee re s 31 Figura 3 4 Esquema funcional do Arduino oia ida a 32 Figura 3 5 Microprocessador cl ssico e seus perif ricos cono ncnnccnnnnnnoo 33 Figura 3 6 Arquitetura do microcontrolador Arduino erre 33 Figura 3 7 Diagrama de blocos A Timega2560 nicotina de 34 Figura 3 8 Interface IDE ess AA A A A A A ERS 37 Figura 3 9 Estrutura do sketch no
105. sustentam os motivos que levaram sua cria o nomeadamente no que se refere estrutura da rede admitindo diferentes topologias da rede Estrela star malha mesh ou rvore cluster tree permitindo o estabelecimento de redes de n s ad hoc O ZigBee possui um tempo de liga o rede menor que os outros protocolos e apresenta maior rapidez na passagem do modo standby a ativo O ZigBee apresenta tamb m uma lat ncia baixa low latency caracter sticas estas que d o grande vantagem na estrutura o das redes O protocolo disponibiliza ainda suporte para duas classes de dispositivos f sicos definidos na norma IEEE 802 15 4 podendo ambos coexistir numa mesma rede RDF Dispositivo com funcionalidade reduzida Reduce Function Device 10 ZDO ZigBee Device Object 11 Ad Hoc rede espont nea 12 low latency tempo necess rio de espera entre um pedido e o seu atendimento 14 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados e Full Function Device FFD pode funcionar em qualquer que seja a topologia da rede desempenhando a fun o de coordenador da rede e consequentemente ter acesso a todos os outros dispositivos Por isso trata se de dispositivos de constru o mais complexa e Reduced Function Device RFD limitado a uma configura o com topologia em estrela n o podendo atuar como coordenador da rede Pode apenas comunicar com um coordenador de rede S o dispositivos de co
106. t chk DHT11 read DHT11PIN Serial print Ler Sensor Humidade e Temperatura DHT11 Anexo 5 4 HIN Valida o dos Dados da Sonda DHT11 111111111 1 switch chk case 0 Serial printin Dados Corrtos break case 1 Anexo 5 C digo para Arduino do TLab Serial printin Erro nos Dados break case 2 Serial printin Tempo de leitura excedido break default Serial printin Erro desconhecido break FE HIII Apresenta o dos Dados HHH 1 11111111 Temperatura e Humidade Relativa Serial print Humidade Serial print h Serial print H Serial print float DHT1 1 humidity 2 Serial print Serial print Temperatura oC Serial print t Serial print T Serial print float DHT 1 1 temperature 2 Serial print ok 11111111 Desenvolvimento futuro Apresentac o de dados em unidades de temperatura diferentes Serial print Temperatura oF Serial printIn Fahrenheit DHT11 temperature 2 Serial print Temperatura K Serial printIn Kelvin DHT11 temperature 2 Serial print Ponto de Orvalho oC Serial printin dewPoint DHT 11 temperature DHT11 humidity Serial print Ponto de Orvalho Rapido oC Serial printin dewPointFast DHT1 1 temperature DHT11 humidity delay 1000 Anexo 5 5 Anexo 5 C digo para Arduino do TLab 1111111 I Le
107. te atributo cr tico para aplica es com sensores nas redes de controlo ZigBee Protocolo de comunica o analogia entre o modo de funcionamento da rede em malha e o modo como as abelhas trabalham e se locomovem 3 ISM Industrial Scientific and Medical PHY Physical Camada f sica do protocolo ZigBee 12 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados e Protocolo simples que permite a transfer ncia fi vel de dados com n veis apropriados de seguran a A arquitetura do protocolo ZigBee tal como em outros protocolos composta por camadas formando uma estrutura hier rquica Cada entidade de servi o fornece uma interface para a camada superior atrav s do ponto de acesso ao servi o SAP Cada SAP suporta um determinado n mero de primitivas de servi o para ativar a funcionalidade que ser solicitada pela camada imediatamente superior Apesar do protocolo ZigBee se basear no modelo OSI que definido por sete camadas Figura 2 2 a arquitetura do protocolo ZigBee apenas define as camadas necess rias para atingir um conjunto de funcionalidades desejadas Figura 2 3 7 Aplica o J Apresenta o SMES 4 Transporte 3 Re 7 Liga o de dados Aplica es do utilizador Camada de aplica o gest o MAC roteamento protocolos de seguran a Transporte de dados Transmiss o e recep o Figura 2 2 Camadas do Figura 2 3 Estrutura de camadas do modelo OSI p
108. te da rede gravando o n mero de cada XBee num ficheiro assim como os sensores a ele associados Esta identifica o serve para numa segunda fase atribuir um identificador a cada dado que entra para um correto preenchimento da base de dados dados esses que s o depois encaminhados para a aplica o Web TLab A aplica o Web TLab recebe e grava cada dado valor que recebe numa base de dados MySQL O modelo de entidade relacionamento representa as entidades e os relacionamentos envolvidos na especifica o de um sistema A Figura 3 34 ilustra o modelo f sico gerado atrav s da ferramenta Power Designer que representa as entidades e relacionamentos utilizados no sistema TLab mostrando tamb m os atributos de cada entidade id compartimento int lt pk gt id_instituicao int lt fk gt O ticos nome comprimento chart 100 id instituicao int lt pk gt nome instituicao char 100 id sensor int lt pk gt ima int lt pk gt id compartimento int lt fk2 gt equipamentos suo ml lt flo id_equipamento int lt fk1 gt id equipamento int lt pk gt valor decimal identificacao_sensor char 100 id compartimento int lt fk gt data criacao timestamp gem ae nome equipamento char 100 id utilizador int lt pk gt nome utilizador char 150 email utilizador char 100 password char 100 salt char 50 admin boolean Figura 3 34 Modelo entidade relacionamento da base de dados Atrav s deste modelo po
109. te e com o objetivo de facilitar o entendimento dos assuntos por parte do leitor optou se por utilizar algumas express es em ingl s Cap tulo 2 Sistemas de Aquisic o de Dados 2 1 Introdu o Para um correto transporte e manuseamento de produtos amostras nos seus processos de fabrico ou em laborat rios dever o ser garantidas as condi es que evitem toda e qualquer modifica o do n mero de microrganismos presentes Isto deve ser garantido que as caracter sticas iniciais dos produtos n o sejam alteradas Para isso e de acordo com in meros documentos espec ficos para cada produto s o definidas para a sua conserva o as condi es de temperatura e humidade entre outras grandezas A t tulo de exemplo e de acordo com o procedimento descrito na Norma Francesa NF ISO 7218 de Dezembro de 2001 Microbiologia dos Alimentos Regras gerais para an lises microbiol gicas deve ser dada uma aten o especial s temperaturas de conserva o com os seguintes tipos de produtos a Produtos est veis temperatura ambiente o o b Produtos frescos e refrigerados entre 0 Ce 4 C o c Produtos congelados ou ultracongelados inferior a 18 C o o d Produtos pasteurizados e similares entre 0 C e 4 C e Produtos alimentares sens veis por exemplo carnes cruas produtos da pesca o o devem ser conservados a uma temperatura entre os 0 Ce 2C Cap tulo 2 Sistemas de Aquisig o de Dados A monitoriz
110. te precisos e f ceis de montar fisicamente atrav s do BUS que os interliga Eles podem obter a energia que necessitam assim como comunicar atrav s do protocolo one wire A Figura 3 15 representa o esquema de liga es el tricas utilizado 8 42 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados 4k7 Arduino Digital Input Figura 3 15 Ligag o El trica dos Dispositivos DS18B20 Para se obterem dados dos dispositivos instalados o micro controlador mestre inicia com um envio do comando reset recebendo dos dispositivos escravos uma resposta de presen a Ent o o microcontrolador seleciona o dispositivo analisando a trama que cont m os dados de identifica o do dispositivo e atrav s do comando MATCH ROM 55h inicia o processo de comunica o com o dispositivo pretendido Para obter uma medi o de temperatura o microcontrolador emite o comando CONVERT 44h Quando o sensor recebe este comando inicia o processo de convers o de dados gerando 2 bytes com o valor da temperatura medido Este um processo relativamente lento e pode demorar at 750 milissegundos por isso temos de esperar algum tempo ap s a emiss o do comando Todas as medi es s o armazenadas num espa o de mem ria RAM do sensor designado SCRATCHPAD a estrutura desta zona da mem ria mostra se na Figura 3 16 Podemos l lo para obter os dados assim como podemos escrever
111. te resolu o 2 0 00195 V 2mV 2 E de referir que ap s configurar o Arduino para o uso do pino AREF deixam de estar dispon veis os pinos de 3 3V e 5V Neste caso necess rio recorrer a alimenta o externa se se pretendessem utilizar essas tens es de alimenta o Alimenta o do Arduino No que se refere a alimenta o da placa disponibilizada uma liga o USB com alimenta o proveniente de um PC ou atrav s de uma fonte externa A entrada da 32 ADC Analog Digital Converter 10 AREF Analog Reference 35 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados alimenta o selecionada automaticamente isto a pr pria placa faz a gest o da sua alimenta o podendo estar as duas fontes de alimenta o ligadas em simult neo Adicionalmente a placa pode ser alimentada por interm dio de baterias externas com a tens o m xima de 5V As baterias s o ligadas aos terminais GND e Vin da placa do Ardu no A alimenta o externa n o dever ter uma tens o menor do que 6V DC e no m ximo 20V DC sendo aconselh vel uma tens o entre os 7V e os 12V DC para evitar problemas de instabilidade ou sobreaquecimento do regulador de tens o Os pinos de alimenta o s o e VIN Destinado alimenta o da placa Arduino quando se usa alimenta o externa como alternativa aos 5V fornecidos pela liga o USB ou outra fonte de alimenta o regulada poss vel fornecer alimenta o
112. terminada nem um controlo obrigatoriamente centralizado de salientar que apesar desta caracter stica din mica de configura o da rede em qualquer uma das topologias ZigBee o coordenador Coordinator o dispositivo respons vel por iniciar a rede 15 Cap tulo 2 Sistemas de Aquisi o de Dados de salientar igualmente que apesar de existirem diferentes formac es topol gicas poss vel que estas possam coexistir numa mesma rede De modo a facilitar a descri o das diferentes topologias de rede ZigBee importante conhecer alguns conceitos utilizados neste tipo de redes Coordenador ZigBee o coordenador coordinator geral de toda a rede Trata se de um dispositivo com recursos completos conforme a norma IEEE 802 15 4 FFD Roteador ZigBee o roteador router o elemento da rede ZigBee que pode agir como coordenador no seu espa o particular de opera o sendo capaz de gerir rotear mensagens entre dispositivos e suportar associa es Trata se de um dispositivo com recursos completos conforme a norma IEEE 802 15 4 FFD Escravo ou dispositivo final Endpoint ZigBee o elemento da rede ZigBee que n o coordenador ou roteador e encontra se nos extremos da rede o respons vel pela comunica o com os dispositivos de aquisi o e atua o com o meio f sico Trata se de um dispositivo com recursos reduzidos conforme a norma IEEE 802 15 4 FFD Seguidamente descrevem se as topol
113. transmiss o e rece o sem fios um componente fundamental do sistema TLab Durante a elabora o do projeto optou se pela utiliza o de um m dulo compat vel com a norma IEEE 802 15 4 pois a rede de sensores ZigBee baseada neste protocolo H v rios modelos dispon veis no mercado Contudo ap s uma an lise onde foram ponderadas as funcionalidades dispon veis e o custo associado selecionou se o m dulo XBee que satisfaz as necessidades do projeto Este dispositivo desenvolvido pela empresa Digi International Inc a partir de 2005 um m dulo que se baseia no protocolo de comunica o ZigBee O XBee disponibilizado em dois modelos sendo eles o Xbee e o XBee Pro em que as funcionalidades s o as mesmas diferindo entre eles apenas a pot ncia do sinal de transmiss o A forma como se apresentam tamb m tem v rias vertentes nomeadamente no que diz respeito ao tipo de antena como se mostra na Figura 3 27 U FL RF Connector Chip Antenna Whip Antenna Figura 3 27 M dulo Xbee 3 7 2 Caracter sticas Ambos os modelos XBee apresentam dimens es muito reduzidas O XBee mede aproximadamente 2 7 cm de comprimento e o XBee Pro 3 3 cm e ambos t m uma largura aproximada de 2 4 cm sendo esta caracter stica bastante importante para o projeto Como referido anteriormente a principal diferen a entre os dois modelos a pot ncia em termos de sinal de transmiss o e consequentemente o respetivo alcance Assim o
114. turas sensors requestTemperatures envia o comando de pedido de temperatura Serial printin Concluido Loop a todos os dispositivos para obter as temperaturas for int i 0 i lt numberOfDevices i Procura no BUS todos os endere os if sensors getAddress tempDeviceAddress 1 Escreve n mero de ordem do dispositivo Serial print Temperatura do dispositivo Serial printin i DEC Resposta imediata dos sensores printTemperature tempDevice Address Chama fun o para escrever os dados 3 5 Sensor de Luminosidade BH1750FVI O sensor digital de luminosidade que foi selecionado para este projeto baseia se num m dulo sensor de intensidade de luz BH1750FVI que integra um conversor ADC de 16 bits O resultado dos seus dados devolvido em Lux e apresenta uma sensibilidade espectral elevada semelhante do olho humano Esta caracter stica importante pois os comprimentos de onda fora do alcance da vis o humana tais como os ultravioleta e os infravermelhos podem dar origem a leituras imprecisas dos sensores de luz 9 A comunica o com o microcontrolador feita atrav s de um BUS de comunica o do tipo rc Lux Unidade de medida da densidade luminosa e representa 1 l men por metro quadrado 45 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados Este circuito integrado um dos mais utilizados no controlo de luminosidade de dispositivos
115. zi la Traduzir N o Nunca traduzir do Ingl s Gr fico als Zoom 1m 3m 6m YTD 1y All From Sep 6 201 To 2012 09 0 Thursday Sep 6 15 47 50 15 47 59 Sen H Sala Reuni es 44 tLab Temperature Lab 2012 Figura 3 37 Gr fico de humidade relativa 63 Cap tulo 3 Implementa o de um Sistema de Aquisi o de Dados No gr fico da humidade relativa pode observar se alguma instabilidade dos valores Esta instabilidade pode ser ultrapassada atrav s de uma filtragem obtida a partir do c lculo da m dia Se se definir um n mero maior de amostras que contribui para a m dia este problema resolvido No gr fico da luminosidade Figura 3 38 medida aproximadamente entre as 9 horas e as 10 30 horas do dia 7 de Setembro de 2012 pode se ver claramente que no per odo entre as 9 e as 9 45 horas o n vel de luminosidade excedeu o limite m ximo configurado zona demarcada pelo sombreado mais azul da Figura 3 38 5 tlab e Ce localhost zbit tlab pt relatorios result NICIO elup Relatorios alr E Zoom Im 3m 6m YTD ly All From J Sep 7 201 To Sep 7 201 s E 3 ua Friday Sep 7 10 09 50 10 09 59 Sen Lum 294 5 tLab Temperature Lab 2012 Figura 3 38 Gr fico da luminosidade O TLab faz uma verifica o em tempo real dos limites configurados para cada sensor Caso se esteja a monitorizar um dete

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