Escola Politécnica da USP Laboratório de Automação Agrícola Depto. de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais Laboratório de Automação Agrícola Instrumentação Inteligente Prof. Dr. Carlos Eduardo Cugnasca carlos.cugnasca@poli.usp.br 04/07/2005

Pesquisas envolvendo Instrumentação Inteligente Laboratório de Automação Agrícola Linha de Pesquisa em Tecnologia de Informação no Agronegócio e Ambiente Pesquisas envolvendo Instrumentação Inteligente 2 *** 04/07/2004 - CEC

Agenda Parte I – Instrumentos Inteligentes Computação Pervasiva e Computação Ubiqua Conceituação de Instrumentos Inteligentes Parte II – Redes de Controle Embarcadas em Veículos Embutidas em Ambientes De Sensores Sem Fio Parte III – Padronização 3 *** 04/07/2004 - CEC

Parte I – Instrumentos Inteligentes 4 *** 04/07/2004 - CEC

Instrumentos Inteligentes Motivação Mudanças de paradigmas nos últimos anos: Centralizado x Distribuído Sistemas Hierárquicos x Sistemas em Rede Off line x On line Sistemas Proprietários x Sistemas Abertos Sistemas Dedicados x Sistemas Flexíveis Computação “Estática” x Computação Móvel Controle Convencional x Controle Inteligente Interfaces Passivas x Perceptuais/Reativas 5 04/07/2004 - CEC

Instrumentos Inteligentes Motivação As mudanças continuam – tendências: Convergência de tecnologias Redução de tamanho: dispositivos portáteis Dispositivos e sistemas computacionais: redução de custo e consumo Uso intensivo de Internet e redes de alta velocidade Crescimento da comunicação sem fio Maior conectividade e transparência Maior simplicidade de uso 6 *** 04/07/2004 - CEC

Instrumentos Inteligentes Computação Pervasiva O computador está embarcado no ambiente de forma invisível para o usuário Os computadores agem de modo inteligente no ambiente onde se encontram embutidos: capacidade de obter informação sobre o ambiente e utilizá-la para construir dinamicamente modelos computacionais controlam, configuram e ajustam a aplicação para melhor atender as necessidades do dispositivo ou usuário 7 *** 04/07/2004 - CEC

Instrumentos Inteligentes Computação Ubíqua Reúne: o alto grau de incorporação de dispositivos embarcados no ambiente da computação pervasiva o alto grau de mobilidade da computação móvel 8 *** 04/07/2004 - CEC

Instrumentos Inteligentes Computação Pervasiva e Ubíqua Pressupõem o uso das seguintes tecnologias: Computadores de pequeno porte e baixo consumo Sensores (incluindo de posição) e Atuadores Dispositivos de interfaces com o usuário (displays, teclados, voz, ...) simples (computadores imperceptíveis) Comunicação sem fio e redes para conectar computadores e sistemas dos mais diferentes portes Sistemas distribuídos e tolerantes a falhas 9 *** 04/07/2004 - CEC

Instrumentos Inteligentes Necessidade de Novos Instrumentos Sensores e Atuadores: Além da suas funções básicas (obtenção de informações e intervenções do/no ambiente): Capacidade de processamento local Atitude reativa e colaborativa Conectividade: redes de controle 10 *** 04/07/2004 - CEC

Instrumentos Inteligentes Sensores Inteligentes - algumas características: Confluência entre transdutor, computação e comunicação: Reduzir o custo de integrar e manter sistemas distribuídos Levar inteligência mais perto do ponto de medida ou controle Precisão na coleta de dados Capacidade de comunicação Diminuição dos custos de produção e manutenção Aumento da confiabilidade do sistema 11 *** 04/07/2004 - CEC

Infra-estrutura para sensores inteligentes: Instrumentos Inteligentes Infra-estrutura para sensores inteligentes: Rede de Controle Fonte: Dante Tantaleon Data Sheet Eletrônica 12

Instrumentos Inteligentes Instrumentos Inteligentes - algumas vantagens: Flexibilidade para ampliações e modificações Maiores distâncias em relação os sistemas centralizadas Redução do cabeamento, instalações mais simples Ampliação do domínio de aplicações Redução do custo total do projeto de automação Ferramentas para instalação, teste e gerenciamento Interoperabilidade 13 *** 04/07/2004 - CEC

Parte II – Redes de Controle 14

Redes de Controle Viabilizam os dispositivos interagirem Sensores e Atuadores Inteligentes (nós) + => Controle Inteligente Rede de Controle Sensores: pequenos, confiáveis, coletam informação das suas vizinhanças Atuadores Inteligentes: recebem ordens via rede de controle e atuam no ambiente Vários dispositivos podem constituir um único sub-sistema autônomo 15 *** 04/07/2004 - CEC

Redes de Controle Dificuldades: Diversidade de problemas e necessidades: muitos tipos de redes e padrões => dependência da categoria de aplicação: Embarcadas em Veículos: Veículos: carros, ônibus, caminhões, navios, aviões, trens, ... Embutidas em Ambientes Ambientes: casas, prédios, escolas, armazéns, granjas, ... Redes de Sensores Sem Fio 16 *** 04/07/2004 - CEC

Redes de Controle Redes Embarcadas em Veículos 17 *** 04/07/2004 - CEC

Redes de Controle Embarcadas em Veículos: Últimos anos: demanda para novos sistemas em automóveis (veículos inteligentes) Evolução da Eletrônica Embarcada => Computador de Bordo Objetivo: maior segurança, melhor dirigibilidade, maior conforto, maior economia, melhor desempenho, diagnóstico mais fácil, atendimento à legislação (controle de emissão) Usam sensores, atuadores (controles inteligentes) e redes: 18 *** 04/07/2004 - CEC

Redes de Controle Embarcadas em Veículos: Pesquisas envolvendo veículos agrícolas: estimuladas pela Agricultura de Precisão 19 *** 04/07/2004 - CEC

Redes de Controle 20 20 *** 04/07/2004 - CEC Fonte: Adaptado de CASE IH 20 *** 20 04/07/2004 - CEC

Redes de Controle Embarcadas em Veículos Agrícolas: Padrão utilizado: Baseado no CAN - Controller Area Network Origem: necessidades da indústria automotiva, inicialmente caminhões e ônibus (Bosch) Norma ISO 11783 e ISOBUS Permitir interconectividade entre produtos de diversos fabricantes: Tratores e implementos Computadores de bordo, sensores, atuadores, ... Grandes esforços nos EUA, Europa (e Brasil) para implantação do padrão 21 *** 04/07/2004 - CEC

Computador de Gerenciamento da Fazenda Redes de Controle Computador de Gerenciamento da Fazenda GPS Fonte: Baseado em Alexandre de A. Guimarães 22 *** 04/07/2004 - CEC

Redes de Controle 23

Redes de Controle Redes Embutidas em Ambientes 24 *** 04/07/2004 - CEC

Redes de Controle Embutidas em Ambientes: Cada vez mais freqüentes 25 *** Fonte: A.A.F. Loureiro et all. 04/07/2004 - CEC

Redes de Controle Embutidas em Ambientes: Pesquisas envolvendo LonWorks LonWork (Local Operating Network): Desenvolvido por Echelon Corporation, esta baseado no modelo ISO/OSI de 7 camadas É um barramento para aplicações de controle, muito usado em automação predial Outras aplicações: automação industrial, trens, aviões, automação residencial 26 *** 04/07/2004 - CEC

Objetivos Principais do padrão LonWorks: Redes de Controle Objetivos Principais do padrão LonWorks: Rede de Controle distribuída, independente de microcomputador Sensores, Atuadores e Controladores Interfaces e Painéis, Indicadores e Displays Sistemas interoperáveis, beneficiando Fabricantes Integradores de Sistemas Usuários Finais Ser uma solução para qualquer tipo de controle Predial, Residencial, Industrial, Agrícola Transporte (embarcados): trens, aviões, … 27

Redes de Controle Embutidas em Ambientes: Algumas características do LonWorks Múltiplos meios de comunicação: Par trançado, fibra óptica, cabo coaxial, RF, rede elétrica Padrão aberto Construção e programação de nós: simples (ferramentas de software + Neuron Chip) Número ilimitado de nós em uma rede Diversas topologias e interconexões: gateways, bridges,... Orientada a eventos 28 *** 04/07/2004 - CEC

Redes de Controle 29 29 *** 04/07/2004 - CEC

Exemplo – Interruptor e Lâmpada Redes de Controle Exemplo – Interruptor e Lâmpada Dispositivo Interruptor Neuron Chip NV Estado Interruptor Dispositivo Lâmpada Neuron Chip NV Estado Lâmpada 30

Redes de Controle Instalação Binding Dispositivo Interruptor Neuron Chip NV Estado Interruptor Dispositivo Lâmpada Neuron Chip NV Estado Lâmpada Instalação Binding

Redes de Controle Parcerias em LonWorks Conceito Tecnologia TAC Américas/Schineider Loytec PureChoice P2S Tecnologia

Redes de Controle Redes de Sensores Sem Fio 33 *** 04/07/2004 - CEC

Redes de Controle Redes de Sensores Sem Fio (RSSF): Objetivo: Requer: Produzir informações com significado global a partir de dados brutos gerados por sensores individuais Requer: Consumo mínimo de energia e dimensões reduzidas Protocolo de comunicação simples e eficiente Alta tecnologia Mobilidade: Nós estáticos (rede planejada) ou redes ad-hoc Nós com mobilidade vegetativa (baterias) Nós que se movem com o fenômeno (animais, ...) Nós com mobilidade autônoma 34 *** 04/07/2004 - CEC

Redes de Controle Aplicações: Militares: Num campo contaminado biológica ou quimicamente Num campo de batalha, entre as linhas inimigas Saúde e auxílio a deficientes físicos Segurança Na estrutura de prédios e pontes Em veículos, aeroplanos ou espaçonaves Em máquinas (industriais, residenciais) Teclado virtual Monitoração de Ambiente e Habitat Dentro de vulcões e tornados, rios e mares (dreno de esgoto), fundo do oceano, animais, florestas, ... Num campo agrícola: agricultura de precisão, estufas, ...

Redes de Controle Campo de aplicação de uma RSSF

Redes de Controle Algumas aplicações no Agronegócio: Agricultura de Precisão: Construção de mapas para: Captura do aspecto temporal das variáveis de solo-planta-clima acompanhamento da saúde da planta e sua relação com a disponibilidade de nutrientes efeitos ambientais: impacto das gotas de chuva ou irrigação no solo, quebras de agregados de solos, exposição de raízes. Aplicações em taxa variável Controle de pestes/pragas Monitoramento Ambiental em Silos Agrícolas: Controle da temperatura e umidade relativa do ar: 20% da produção nacional de grãos é perdida por falta de controle das variáveis

Formas convencionais: Redes de Controle Formas convencionais: http://www.cnpdia.embrapa.br http://www.cnpdia.embrapa.br

Berkeley COTS Dust - RF Motes Redes de Controle Forma possível: N S E W 2 Axis Magnetic Sensor 2 Axis Accelerometer Light Intensity Sensor Humidity Sensor Pressure Sensor Temperature Sensor Microprocessador Atmel Transceiver 916MHz, alcançe ~20m, 4800 bps Vida util: 1 semana totalmente ativo, 2 anos @1% Berkeley COTS Dust - RF Motes

Agricultura de Precisão com RSSF: ciclo de monitoração contínuo Redes de Controle Agricultura de Precisão com RSSF: ciclo de monitoração contínuo

Sucesso da Agricultura de Precisão: depende da qualidade dos mapas Redes de Controle Sucesso da Agricultura de Precisão: depende da qualidade dos mapas Mapas variam no tempo de forma desconhecida

RSSF para Agricultura de Precisão Redes de Controle RSSF para Agricultura de Precisão Sorvedouro (Observador) Fonte Dados Fonte Dados Campo de sensores

RSSF em operações de campo: Redes de Controle RSSF em operações de campo: Permite melhorar e complementar outros dados de campo, com vantagens: Privilegia o aspecto temporal do dado Infraestrutura pervasiva Eliminação de pontos de falha únicos Baixo custo operacional Infra-estrutura escalável e de múltiplos usos Existem coisas que somente uma RSSF podem proporcionar para a AP ...

Redes de Controle RSSF em AP - Pesquisas persistentes: Retornar repetidamente valores anormais medidos pelos sensores em determinada região Ex: Alarme de infestação por pragas Retornar a cada 12 horas os valores medidos pelos sensores em determinada região do campo Ex: Condição ideal do solo para plantio Notificar sempre que 2 sensores, distantes em menos do que 5 m, medirem simultaneamente um valor anormal Ex: Nível de infestação por praga Source: Bonnet, 2000

Construção de mapas com RSSF Redes de Controle Construção de mapas com RSSF Através de pesquisa na rede, obter o valor estimado de um parâmetro de qualquer ponto do campo, a partir das informações dos dados sensoriados Investigar e propor soluções aos problemas de rede relacionados a essa operação 

Parte III – Padronização

Padronização Desafio aos Fabricantes de Sensores e Atuadores: Interfacear dispositivos com várias redes: questão de sobrevivência mas é caro, exigindo muito esforço de software e hardware Mercado: diversificado, muitos tipos de redes e protocolos: maiores custos alternativas que reduzam custos = simplificação do desenvolvimento Padrões universais para interligação em redes de controle: menor tempo para a implementação dos sistemas menores custos

Padronização IEEE 1451: IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators (STIM) Network Capable Application Processor (NCAP) Família de normas com o objetivo de tornar mais fácil a tarefa de criar soluções baseadas nas tecnologias de rede existentes, conexões padronizadas com os dispositivos inteligentes e arquitetura de software comum. 48 *** 04/07/2004 - CEC

Padronização IEEE 1451 – Alguns objetivos: Sensores e atuadores plug and play, com interface de comunicação comum, independente da rede e do fabricante Simplificar a criação de redes de transdutores inteligentes Facilitar o suporte a múltiplas redes (inclusive sem fio) Permitir a substituição e movimentação fácil dos transdutores Eliminar os erros típicos nas fases de configuração manual Especificação técnica eletrônica: permanece junto ao transdutor Modelos gerais de dados de transdutores, controle, configuração, tempo e calibração 49 *** 04/07/2004 - CEC

Padronização IEEE 1451 Exemplo de STIM Exemplo de STIM 50 *** 04/07/2004 - CEC

Transdutores ligados em rede Padronização Transdutores ligados em rede 51 *** 04/07/2004 - CEC

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