Escola Superior de Tecnologia de Tomar Tiago Alexandre Martins Fernandes sistema integrado de segurança e gestão de energia (sisge)



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LonWorks




  1. Logotipo LonWorks [Gal].

A tecnologia LonWorks foi desenvolvida pela Echelon Corporation no início da década de 1990 e tem vindo desde então a ser implementada em redes de sistemas de automação em edifícios. Foi desenvolvida com a intenção de respeitar os requisitos da maioria das aplicações de controlo mas a sua aplicação é feita sobretudo em edifícios não habitacionais onde o fator preço é menos importante do que os fatores fiabilidade e desempenho[Lon].

Um dos objetivos do desenvolvimento da tecnologia LonWorks era fornecer, ao contrário de outras tecnologias, uma tecnologia que qualquer produtor de dispositivos pudesse usar nos seus produtos sem ser cobrado por isso, o que permite reduzir os custos em relação a outras tecnologias e melhorar a sua adoção. Existiam no entanto várias contradições a este objetivo, pois qualquer dispositivo LonWorks tinha de ser baseado no microcontrolador NeuronChip, desenvolvido especificamente para o sistema LonWorks e que utiliza a linguagem de programação LonTalk desenvolvida também para o mesmo.

Apenas existiam até 1999 três fabricantes do microcontrolador Neuron o que diminuía bastante o fator concorrencial da produção destes dispositivos e implicava preços mais elevados. Em 1999 o protocolo foi aberto para outros processadores o que aproximou bastante esta tecnologia do seu objetivo inicial.

Os sistemas LonWorks utilizam uma arquitetura descentralizada que permite a partilha de informação direta entre os sensores e os atuadores ligados ao sistema, quer estes sejam físicos ou aplicações.

Meios de transmissão

Os meios de transmissão utilizados para LonWorks podem ser pares de fio, power line communication (PLC), radiofrequência, infravermelhos entre outros. O meio de transmissão mais utilizado nos sistemas LonWorks é o de pares de fio que utiliza um mecanismo anti-colisão - Carrier Sense Multiple Access (CSMA) - desenhado especificamente para este protocolo. Os pares de fio podem atingir velocidades de transferência na ordem dos 78 kbits/s[Lon].

O microcontrolador NeuronChip é o centro desta tecnologia e contém a aplicação, pilha de endereçamentos e os métodos de acesso ao barramento de comunicação. Cada NeuronChip tem um identificador único chamado de NeuronID que permite o endereçamento de qualquer dispositivo nas redes LonWorks. O NeuronID tem uma dimensão de 48 bits e é definido durante a produção do microcontrolador.



Configuração

Existem várias ferramentas para configuração das redes LonWorks. Estas ferramentas são baseadas num método de desenvolvimento chamado de LonWorks Network Services (LNS) que utiliza uma base de dados em sistema operativo Windows para guardar todas as informações relativas à rede LonWorks.

Nas aplicações LNS é possível definir os dispositivos ligados à rede (instalar dispositivos), os seus níveis de hierarquia, regras da rede, assim como criar e gerir bases de dados referentes à rede.

A configuração dos dispositivos pode também ser feita através de programação direta do NeuronChip em linguagem de programação C baseada em ANSI C.

Envio da Informação

A comunicação é feita através de pacotes de informação os quais contêm a informação a enviar, a que dispositivo se destinam, o caminho para chegar a esse dispositivo, dados de controlo, informação da origem da mensagem e um código para deteção de erros.

O protocolo LonWorks utiliza um sistema de mensagens peer-to-peer, quer isto dizer que não existe um agente controlador das mensagens na rede e por isso algoritmos de deteção de conflitos têm de ser utilizados. Para um dispositivo responder a uma mensagem enviada por outro dispositivo é necessário assegurar que o dispositivo que enviou a mensagem está a aguardar uma resposta vinda do dispositivo que recebeu a mensagem. Para isso cada nó tem uma tabela de endereços com todos os dispositivos ligados na sua rede onde assinala quais os dispositivos com os quais partilha a mesma rede. A configuração destas opções é feita através da ferramenta de gestão da rede.



Endereçamento

As redes LonWorks são hierarquizadas e estruturadas por endereçamentos lógicos constituídas por domínios, sub-redes e dispositivos individuais chamados de nós[Ech09].

Um domínio LonWorks é uma coleção lógica de dispositivos (nós) num ou mais canais físicos e é definido para que a comunicação possa ser apenas feita pelos dispositivos que estejam no domínio. Esta comunicação pode ser feita por partilha de informação para a rede, partilha de informação apenas para um dispositivo ou para um grupo de dispositivos.

Cada domínio pode ter um identificador de 0, 1, 3 ou 6 bytes de tamanho e é normalmente descrito em notação hexadecimal. O identificador de 0 bytes é apenas utilizado para propósitos de gestão da rede. Geralmente são utilizados identificadores de domínio com 1 byte de tamanho devido a este valor fazer parte da estrutura das mensagens do protocolo LonWorks. Ao utilizar um identificador de 6 bytes este tem mais 40bits do que o identificar de 1 byte o que se traduz num menor desempenho da rede. Os identificadores de domínio mais extensos devem ser utilizados de forma a garantir que um nó só não é ativado erradamente por interferência, na receção da mensagem[Enero].

Cada domínio LonWorks pode conter até 255 sub-redes cada uma com 64 nós e 127 grupos de dispositivos. As sub-redes são identificadas por valores numéricos de 1 a 255, já os grupos são identificados por de 1 a 127. As sub-redes e grupos de dispositivos são utilizados para comunicação em grupo, a diferença é que os grupos podem ao contrário de sub-redes conter nós em canais diferentes.

Existem cinco formas de endereçar mensagens definidas no protocolo LonWorks, através do domínio, sub-rede, grupo, código do dispositivo e NeuronID. Cada nó contém uma tabela com os endereços que podem ser utilizados pela aplicação de gestão na rede, para especificar um endereço destino para uma mensagem através de referência na lista. Este método é também conhecido como endereçamento implícito. Em alternativa o nó pode especificar o endereço completo de destino da mensagem, sendo este método conhecido como endereçamento explícito. Uma variedade de ferramentas é fornecida onde é possível programar os endereços e configurar os nós[Ech].

A estrutura das mensagens contém a informação sobre a versão do protocolo do barramento, o formato dos pacotes, o formato dos endereços e o tamanho do endereço. A dimensão do endereço em si é variável e depende do esquema de endereçamento utilizado. Caso um domínio esteja definido, o endereço do domínio poderá também ser definido na mensagem. Os pacotes consistem em dados de transporte e da aplicação.



Vantagens e desvantagens

O protocolo LonWorks tem uma arquitetura ao nível do dispositivo, quer isto dizer que não necessita de outros intervenientes para além dos emissores e recetores de sinais. Este é um aspeto positivo mas também se pode tornar negativo devido à possibilidade de interação entre dispositivos errados.

Desde a sua invenção, a tecnologia LonWorks tem definido uma série de regras para que exista compatibilidade entre dispositivos LonWorks de produtores distintos. Apesar desta compatibilidade qualquer instalação LonWorks necessita, para além dos gastos normais com equipamento, de ser configurada por software que não é de livre utilização o que requer custos acrescidos ao valor final da instalação. A adição de novas funcionalidades ao protocolo apenas é efetuada pela empresa detentora do mesmo.



X-10




  1. Logotipo X-10[X1015].

O protocolo X-10 foi o primeiro protocolo de comunicação Power Line Comunication a surgir e foi desenvolvido na década de 1970 pela Pico Electroncis, com o objetivo de tornar mais fácil a implementação de aplicações de automação em edifícios. O nome X-10 deve-se a ser o décimo projeto da empresa. É um protocolo aberto, isto é, qualquer fabricante pode produzir dispositivos que usem o protocolo sem serem cobrados por isso.

A arquitetura é descentralizada, o que significa que os vários dispositivos ligados à rede podem comunicar entre si sem a necessidade de uma unidade central de controlo, o que torna a tecnologia mais flexível e imune a falhas totais dos sistemas. Inicialmente este protocolo foi desenvolvido apenas para comunicações unidirecionais, no entanto surgiram dispositivos capazes de receber e enviar informação através deste protocolo.

Devido à sua tecnologia pouco complexa é uma tecnologia acessível, a sua instalação é económica e de fácil implementação comparando com outras tecnologias. Por utilizar uma comunicação PLC é possível instalar ou expandir sistemas que utilizem este protocolo sem a necessidade de adicionar novos meios de comunicação, o que possibilita também uma instalação a qualquer momento, não tendo a mesma que estar preparada de origem nos edifícios.



Protocolo

O protocolo X-10 utiliza um método de transmissão simples com uma estrutura de dados de 8 bits precedidos de um código de início de mensagem pré-definido. A transmissão da informação é feita através do envio de um sinal a 120 kHz durante 1 ms quando a onda sinusoidal em corrente alternada é zero, sendo o sinal enviado até um máximo de 50µs depois da passagem por zero. O valor lógico “1” é definido por um impulso seguido de uma ausência de impulso. O valor lógico “0” é definido pela ausência de um impulso seguido de imediato por um impulso. Todos os dispositivos X-10 têm deteção da passagem da corrente por zero (zero-crossing) para que os emissores e recetores de sinais estejam sincronizados. No caso da aplicação do protocolo X-10 sobre redes trifásicas o envio dos impulsos deverá ser feito três vezes por ciclo de relógio, com desfasamentos adequados a cada fase.



  1. Envio de impulso a 120kHz num rede trifásica de 50Hz, impulsos desfasados consoante as diferentes fases[Pow].


Estrutura das mensagens

Qualquer dispositivo de uma rede X-10 recebe todas as informações enviadas sobre a forma de mensagens emitidas para a rede, logo qualquer dispositivo tem de ser capaz de endereçar cada mensagem para que seja apenas reconhecida pelo dispositivo a que se destina. Para isso o protocolo X-10 implementa uma estrutura de mensagem ordenada da seguinte forma:

  • Código de início: O envio de mensagens no protocolo X-10 é iniciado com o código lógico “1110" de modo a ser sinalizado o início de uma mensagem. Ao contrário dos outros códigos constituintes da mensagem, para o código de início não são enviados bits complementares.

  • Código de casa: 4 bits destinados à representação das letras de A a P.

  • Código do dispositivo ou função: 4 bits com valores decimais entre 1 e 16 que representam o dispositivo ou a função a executar seguidos de 1 bit que sinaliza se os 4 bits anteriores são o código de dispositivo ou uma função. O envio deste último bit deve-se ao facto de serem enviadas duas mensagens, uma delas com a identificação do dispositivo e outra com a função a ser executada pelo mesmo.



  1. Mensagem X-10.

Os bits correspondentes ao Código de Casa e Código de Dispositivo/Função são enviados juntamente com o seu complementar, sendo que o envio de uma mensagem demora 11 ciclos a ser completado. Nas figuras seguintes (Figura 13 e Figura 14) estão resumidos os códigos possíveis de serem enviados e a sua estrutura.


  1. Sequência de envio dos vários bits constituintes de uma mensagem em X-10, envio alternado em meio ciclo de relógio [Pow].



  1. Lista de códigos e comandos X-10 e os seus respetivos bits.

Na figura anterior, os números 1, 2 e 3 têm a seguinte interpretação:

1 – Verifica a existência de outros transmissores X-10 na rede, caso existam um novo código de casa terá de ser atribuído.

2 – O bit D8 representa o bit mais significativo do nível, enquanto os bits H1, H2, H4 e H8 representam os 4 bits menos significativos.

3 – Este código de função é seguido de 1 byte que representa a informação geralmente proveniente de conversores Analógico-Digital. Não existem ciclos de intervalo entre o código de função e os 8 bits de dados. Os primeiros 8 bits de informação poderão corresponder ao número de bytes que vão ser enviados.


São enviados grupos de duas mensagens, uma para identificar o destino e outra para identificar a função, separadas por três ciclos de relógio entre si. Durante os três ciclos de relógio é envido o valor lógico “000000”. No caso de funções dimming são enviados grupos de três mensagens sem ciclos de relógio de intervalo.
Vantagens e Desvantagens

O X-10 é uma solução tecnologicamente simples e de baixo custo devido a utilizar a instalação elétrica dos edifícios como meio de comunicação. Em edifícios relativamente grandes o funcionamento poderá ser afetado devido à perda do sinal causada por interferências, o que levará à necessidade de incorporação de repetidores de sinal na instalação, aumentando assim o seu custo.

Os meios de comunicação são limitados à instalação elétrica onde a velocidade de envio de informação atinge os meros 20bits/s, limitando esta tecnologia a aplicações muito simples. Para além disso o X-10 não permite a utilização de dois dispositivos em simultâneo na mesma rede devido à inexistência de um controlador de tráfego na rede.

A existência de filtros capacitivos nas entradas de alimentação de dispositivos ligados à rede poderão eliminar os impulsos enviados por dispositivos X-10.

MQTT


O Message Queue Telemetry Transport (MQTT) é um protocolo de livre utilização, simples, leve e de fácil implementação para publicação/subscrição de mensagens[IBM]. Foi desenvolvido em 1999 e tem vindo desde então a ser utilizado nas mais diversas áreas da industria. Em 2014 o protocolo MQTT tornou-se um padrão internacional após deliberação da Advancing Open Standards for the Information Society (OASIS).

O protocolo MQTT serve de intermediário de mensagens e foi desenvolvido sobretudo para utilização em redes em que a largura de banda é pequena ou instável e em dispositivos com limitações ao nível do processador ou memória.



Os clientes, que podem ser dispositivos ou aplicações, ligam-se a um servidor conhecido como broker através de ligações TCP. Os clientes podem subscrever tópicos no servidor conseguindo assim ter acesso às mensagens que nesse tópico são publicadas por outros clientes. Os tópicos têm uma estrutura idêntica à utilizada para identificar sistemas de arquivos (i.e. casa/temperatura).


  1. Funcionamento MQTT, envio de mensagem do Cliente A e receção no Cliente B.

As principais funcionalidades do MQTT são:



  • Possibilidade de publicar e subscrever tópicos;

  • Meio de transporte agnóstico ao conteúdo da mensagem;

  • Ligações de rede feitas por TCP/IP;

  • Três níveis de Qualidade de Serviço (QoS) de entrega disponíveis:

    1. A mensagem é enviada apenas uma vez, correspondente a um valor de QoS igual a 0. As mensagens são entregues caso as condições da rede assim o permitam, podendo ocorrer perdas de mensagem ou duplicações. Este é o nível mais baixo de garantia de entrega. Um exemplo da utilização deste nível é em sensores de temperatura, visto a sua informação não ser crítica;

    2. A mensagem é enviada pelo menos uma vez, correspondente a uma valor de QoS igual a 1. Todas as mensagens são entregues pelo menos uma vez, existindo a garantia de entrega, não ficando de parte a hipótese de entregas duplicadas;

    3. A mensagem é enviada exatamente uma vez, correspondendo a um valor de QoS igual a 2. Todas as mensagens são garantidamente entregues uma e uma só vez aos subescritores do canal.

  • Estrutura de mensagens pequena e em que as trocas de informação são minimizadas para reduzir o trafego na rede;

  • Mecanismo de notificação em caso de fim inesperado da ligação ao servidor por parte de um cliente.

O MQTT dispõe de um modo de identificação dos tópicos através de dois wild-card, “+” e “#”. O “+” é utilizado para identificar todos os subtópicos num determinado nível hierárquico. Já o “#” identifica todos os subtópicos no nível onde é colocado e todos os adjacentes.

As mensagens têm um cabeçalho definido, este está representado na Tabela 3 onde o byte 1 contém os campos com o tipo de mensagem e as flags DUP, nível QoS e RETAIN e o byte 2 contém a dimensão restante da mensagem. No DVD em anexo encontram-se os valores padrão dos bits do cabeçalho assim como o significado detalhado das flag.



  1. Cabeçalho MQTT[IBM].

bit

7

6

5

4

3

2

1

0

byte 1

Tipo de Mensagem

DUP

nível QoS

RETAIN

byte 2

Dimensão restante da mensagem

O centro do protocolo MQTT é o intermediário de mensagens, o broker. Este servidor recebe as mensagens publicadas nos tópicos e reenvia-as para os clientes que subscreveram esses mesmos tópicos. Podem ser aplicados filtros no broker às mensagens/tópicos para limitar o acesso dos clientes.



Vantagens e Desvantagens

A baixa largura de banda necessária para o envio de mensagens é a principal vantagem deste protocolo. A boa utilização da largura de banda disponível tornam este protocolo eficiente, isto devido em grande parte à simplicidade do mesmo. A utilização de meios de transmissão considerados comuns, como Ethernet ou Wi-Fi, potenciam o futuro desde protocolo.

A desvantagem deste protocolo deve-se sobretudo à utilização de ligações TCP/IP, o que restringe a sua utilização a equipamentos dotados de tal ligações.




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