Sensoriamento remoto via_wireless 21102010 sistema embarcado

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The project focuses on remote sensing equipment like air compressors commonly used in industry. This equipment we are monitoring the pressure and temperature via wireless, it was created a security system micro-controlled, where the tem- perature or pressure over predetermined limit alerts the operator to take appropriate action. also it was created a mobile module monitoring through a graphic LCD, where the sensor data are transmitted in real time for viewing by the operator. Data from sensors will also go to a computer, where they will be displayed in graphs through a Java interface and stored in a database for viewing reports and scheduling to assist in predictive maintenance of such equipment.

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Sensoriamento remoto via_wireless 21102010 sistema embarcado

  1. 1. SENSORIAMENTO REMOTO VIA WIRELLES (TRW-2.4GHZ) TARCÍSIO PINHEIRO¹, IZABELLY PERES¹, BRENO PANTOJA² ¹ Instituto de Estudos Superiores da Amazônia (IESAM), Avenida Governador José Malcher, CEP 66055-260, 4005-5400, Belém, PA. ² Universidade Federal do Pará (UFPA), Rua Augusto Correa 1 - CEP 66075-110,Belém, PA. E-mails: tarcioswin@hotmail.com, marribelem@yahoo.com.br, brenopantoja@ufpa.br Abstract The project focuses on remote sensing equipment like air compressors commonly used in industry. This equipment we are monitoring the pressure and temperature via wireless, it was created a security system micro-controlled, where the tem- perature or pressure over predetermined limit alerts the operator to take appropriate action. also it was created a mobile module monitoring through a graphic LCD, where the sensor data are transmitted in real time for viewing by the operator. Data from sensors will also go to a computer, where they will be displayed in graphs through a Java interface and stored in a database for viewing reports and scheduling to assist in predictive maintenance of such equipment. Keywords air compressors, predictive maintenance, pressure sensing, temperature. Resumo O projecto centra-se em equipamento de sensoriamento remoto, como compressores de ar usados na indústria. Este equipamento estamos monitorando a pressão ea temperatura via wireless, foi criado um sistema de segurança micro-controlado, onde a temperatura ou pressão limite predeterminado alerta o operador a tomar as medidas adequadas. Também foi criado um módulo de monitoramento móvel através de um LCD gráfico, onde os dados dos sensores são transmitidos em tempo real para visualização pelo operador. Os dados dos sensores também irão a um computador, onde serão exibidas em gráficos através de uma interface Java e armazenadas em um banco de dados para visualização de relatórios e agendamento para auxiliar na manu- tenção preventiva dos equipamentos. Palavras-chave compressores de ar, manutenção preditiva, pressão, sensoriamento remoto, temperatura. 1 Introdução Para Rosa (2003) sensoriamento remoto é uma técnica para obter informações sobre objetos através de dados coletados por instrumentos que não estejam em contato físico com o os objetos monitorados. Elevadas temperaturas, altas tensões elétricas, riscos de acidentes e locais de difícil acesso são al- guns dos principais fatores para escolha da conectivi- dade sem fio nesses ambientes. Em geral também há o uso, nesses locais, de sistemas embarcados tanto para o controle de processos lógicos quanto para transmissão de informações acerca do comportamen- to de determinado equipamento. Em Face dessa necessidade os módulos de rádio freqüência estão cada vez mais sendo utilizados nas indústrias. Com a exigência cada vez maior para com a segurança e automatização dos processos de produ- ção, o método de aquisição de dados via wireless é o mais indicado para essas situações onde máquinas e equipamentos como compressores, caldeiras e moto- res podem por em perigo vidas se não forem monito- rados periodicamente. Neste sentido, o objetivo principal desse artigo é a aplicação de um método de aquisição de dados de sensores através de um sistema embarcado micro- controlado, que opera junto com o módulo transcep- tor de rádio freqüência que funciona na faixa de 2400MHZ. Neste projeto estamos monitorando a pressão e a temperatura de um compressor muito utilizado na indústria em geral. Este artigo está organizado em seções. Na seção 2 a metodologia. Seção 3 trata do sistema embarcado como um todo. Nas seções 4 e 5 são apresentados o desenvolvimento do hardware e software e na seção 6 é a conclusão acerca do trabalho desenvolvido. 2 Metodologia O sistema embarcado está dividido em duas par- tes: a primeira parte foi feito o sistema acoplado no compressor, onde sensores de temperatura e pressão monitoram características físicas. O outro é um mó- dulo móvel de monitoramento através de um LCD gráfico, onde os dados dos sensores são transmitidos em tempo real para serem vistos pelo operador no LCD sem fio. Na segunda parte os dados dos sensores são transmitidos via rádio freqüência para um servidor através da comunicação USB (MIYADAIRA, 2009) onde a interface em Java com um banco de dados com criptografia para avaliação e relatórios é de expressiva importância para o armazenamento de
  2. 2. todos os dados do sistema embarcado auxiliando nos cronogramas das manutenções preditivas na indús- tria. 3 Sistema Embarcado Nesta seção descreve todo o sistema de hardware e software para monitoração do compressor de ar W 96011 H /425L. No sistema de monitoração é com- posto por três placas de aquisições: sistema de aqui- sição de sensores via wireless – SASW(1), placa de LCD móvel- PLCDM (2) e Sistema de aquisição USB Host-SAUSBH(3) como mostra a figura 1. Figura 1 – Sistema de Monitoramento Os dados são transmitidos para um servidor por comunicação USB. Para armazenar todos os dados do sistema a interface desenvolvida em Java tendo uma base de dados Mysql para captura das informa- ções dos sensores. Todo o sistema embarcado é en- volvido por sensores, sistema sem fio e coleta de dados, como mostra o fluxograma da figura 2. Figura 2 – Fluxograma 4 Hardware Esta seção descreve todo o hardware do sistema como o transmissor via radio freqüência, sensores, compressor e o seu devido monitoramento, três pla- cas de aquisições com os micro-controladores sendo o 16F877A para conversão analógica/digital dos sensores e o 18F4550 para comunicação USB e LCD Gráfico para operador visualizar os dados. 4.1 Módulo TRW 2.4G O módulo que está sendo utilizado no projeto é o TRF-2.4G é produzido pela Laipac Tech para trans- missão de dados sem fio. O módulo RF (rádio fre- qüência) é transceptor, ou seja, ele funciona tanto como receptor como transmissor de dados. Seu cir- cuito é composto por antena, sintetizador de freqüên- cia, amplificador de sinal e possui embutido um cris- tal para o oscilador. Trabalha na freqüência de 2.4 GHz, aceita transmissão full-duplex, incluindo codi- ficação, decodificação e buffer de dados. Na figura 3 é mostrado o componente TRF-2.4G. Figura 3 – TRF-2.4G O componente TRF-2.4G pode operar em dois modos: ShockBurst e Direct Mode. O modo de ope- ração ShockBurst é dividido em duas etapas: o mi- cro-controlador transfere os dados a ser transmitidos ao receptores. Nesta primeira etapa o micro- controlador pode enviar os dados na velocidade em que for mais adequado ao desenvolvedor, normal- mente mais lento, permitindo o uso de micro- controladores com baixa velocidade de processamen- to. Os dados são armazenados no buffer interno dos receptores. A segunda etapa consiste em transmitir os dados já armazenados no buffer aos demais recepto- res presentes no ambiente, independente do micro- controlador. Para a velocidade de transmissão da segunda etapa é possível escolher entre 250 Kbps e 1 Mbps, configurados no receptor. Para a recepção dos dados pelo micro-controlador de um receptor, é reali- zado o processo inverso ao descrito anteriormente. Na figura 4 é demonstrado o princípio de funciona- mento do modo ShockBurst. Figura 4 – Transmissão de dados O modo de operação escolhido para a uti- lização no projeto é o ShockBurst, pois através desse modo podemos usar micro-controladores com baixa
  3. 3. velocidade de processamento, diminuindo o valor do custo do projeto. 4.2 SASW SASW é composto de um micro-controlador 16F877A, sensores de temperatura LM 35(-55 graus até 150 graus) e pressão MPX5000A (20 até 700 kPascal), portanto para sua transmissão sem fio foi utilizado o módulo TRF-2.4G que fica acoplado junto a placa com o micro-controlador. É responsável de coletar todos os dados dos sensores fazendo assim a transmissão de dados sem fio para o PLCDM e PUSBH. Figura 5 – LM 35 O sensor utilizado para a medição da temperatu- ra é o Lm 35 da National Semicondutor como mostra afigura 5, com saída linear de 10 mV para cada 1ºC. O sensor de pressão do ar do compressor é o sensor MPX500A fabricado pela Freescale Semiconductor, produto de precisão com saída linear, pode ser utili- zado para fazer medições de pressão de 0 to 700 kPa (0 to 101.5 psi), apresenta tensão de saída de 0.2 a 4.7 VA série MPX5700 transdutor piezo é um sensor de pressão de silício monolítico projetado para uma ampla gama de aplicações, mas principalmente as que utilizam um micro-controlador ou micro- processador com conversão A/D. Na figura 6 mostra o sensor de pressão MPX500A. Figura 6 – Sensor de Pressão MPX5000A 4.3 PLCDM PLCM possui micro-controlador 18F4550, LCD Gráfico com resolução por 128 x 64 pixel, transcep- tor TRF-2.4G. Os dados dos sensores foram transmi- tidos pelo SASW e exibido em tempo real para o operador o nível da temperatura e da pressão, a Figu- ra 7 mostra o teste do LCD. Figura 7– LCD Gráfico mostrando a Temperatura e a Pressão O MGD12864H é um driver de LCD LSL com 64 canais de saída para dot matrix display de cristal líquido do sistema gráfico. Tem o display interno RAM para armazenar os dados transferidos de um display de 8 bits micro tratamento e gera o ponto de cristal Iiquid matriz de condução sinais correspon- dentes a armazenados MGD12864H dados. É com- posto por sistema de telas de cristal líquido em com- binação com o KS0107B (64 driver comum). A Figu- ra 8 mostra esquema do circuito do LCD gráfico com micro-controlador 18F4550. Figura 8 – LCD Gráfico mostrando a Temperatura do Sensor 4.4 SAUSBH Nesta seção descreve o PUSBH e comunicação USB. O PUSBH é o modulo de recepção de dados, onde tem um micro-controlador 18F4550, ou seja, um receptor. A Figura 9 ilustra a comunicação entre o laptop e o módulo através da USB, portanto fazen- do a comunicação de todos os dados coletados pelo SASW.
  4. 4. Figura 9 – Comunicação USB com 18F4550 A comunicação USB em micro-controladores para um sistema embarcado vem proporcionando uma conexão para qualquer tipo de dispositivos, tornado-se fácil a instalação de projetos futuros em sistemas em tempo real aplicando a tecnologia USB, tendo compatibilidade com plataformas e sistemas operacionais como Windows, Linux e Mac (COMANICIU, 2000). Com poucas portas de comunicação em compu- tadores e a falta de portas como a comunicação para- lela e serial em computadores móveis, houve uma necessidade do uso da comunicação USB principal- mente em sistemas embarcados. O dispositivo com comunicação USB é bastante rápida e simples para que o usuário possa utilizá-la com velocidade superior as suas antecessores, como exemplo USB 2.0 transmite dados em 480 Mb/s e quanto a serial transmite a 500Kb/s (MIYADAIRA, 2009). Com micro-controlador 18F4550 as bibliote- cas de funções são disponibilizadas pelo fabricante Microchip em linguagem C (MICROCHIP, 2009). 5 SOFTWARE Neste tópico descreveremos a parte de software desenvolvida para o projeto como ambiente de de- senvolvimento da programação em C para os micro- controladores e a interface para o usuário. 5.1 Micro-controlador em C O software foi desenvolvido no compilador CSS PIC C sendo usado para gerar os arquivos hexadeci- mais que são gravados nos micro-controladores. O compilador pode implementar eficientemente a lin- guagem C. 5.2 Interface em Java e Banco de Dados Mysql O Sistema de interface em Java com acesso de login e senha com Banco de Dados Mysql para o operador do servidor e do sistema ter acesso aos dados obtido do monitoramento remoto, como ilustra a Figura 10 a tela principal do sistema. O banco de dados foi criado com criptografia MD5 bastante utilizando em sistema de comunicação (WHITMAN, 2008). Para aquisição e armazenamento de dados, a ba- se de dados tem três tabelas para armazenar os dados dos sensores, usuários e relatórios para a manutenção do compressor. Figura 10 – Tela principal do sistema Na Figura 11 ilusra tela em Java obtendo dados dos sensores, onde em seguinda vão ser arma- zenado em Banco de dados Mysql. Figura 11 – Tela de dados dos sensores A base de dados tem três tabelas para arma- zenar os dados dos sensores, usuários e relatórios para a manutenção do compressor. 6 Conclusão Os objetivos propostos foram alcançados. As criações dos três hardwares foram feitas com êxitos, a comunicação utilizando o módulo transceptor TRW- 2.4G foi gerada com sucesso. Houve alguns proble- mas e dificuldades enfrentados na conclusão do pro- jeto em questão, o qual pode destacar a fonte simétri- ca e o código fonte utilizado na placa LCD móvel. Foi necessária utilizar uma fonte simétrica para o funcionamento do LCD gráfico, isso gerou custo e aumentou a complexidade do circuito da placa, pois
  5. 5. para a criação da fonte simétrica é necessário a utili- zação de duas fontes alimentação o qual causou vá- rios transtornos deixando a placa mais cara e aumen- tando o seu tamanho. Para trabalhos futuros será feita a troca por outro módulo de comunicação RF no qual tenha um alcance maior que o utilizado no projeto, como por exemplo, usando um zigbee pro com um alcance de 5 km em visada direta. A troca do LCD gráfico por um modelo onde não é necessário usar duas fontes de alimentação para que ocorra o seu funcionamento. Referências Bibliográficas BREIJO, Eduardo García .Compilador CCS y Simulador Proteus para microcontrolador PIC. 1.ed. México: Alfaomega grupo editor,2008. COMANICIU, D., RAMESH, V. and MEER, P., “Real-Time Tracking of Non-Rigid Objects Using Mean Shift”, IEEE CVPR, vol. 2, pp. 142–149,June 2000. CCS INC. Manual CCS C Compiler. 2010. Disponível em:<www.ccsinfo.com/Downloads /ccs_c_ manual .pdf .>. Acesso em:1 .junh.2010. FREESCALE. MPX500A datasheet. Disponível em: <http://www.freescale.com/files /sensors/doc /data _sheet/MPX5700.pdf>. Acesso em: 20 maio. 2010. LAIPAC. TRF-2.4G transceiver datasheet. Disponível em: <http://www.tato.ind.br/files/RF- 24G_ datasheet.pdf>. Acesso em: 15 fev. 2010. MARKUS, Marcos Otávio. Circuitos Elétricos :corrente continua e corrente alternada.1.ed.São Paulo:Érica.2001. MICROCHIP. Datasheet PIC16F877A. Disponível em:<http://ww1.microchip.com /downloads/en /DeviceDoc /40044D.pdf>. Acesso em: 27 ago.2009. MICROCHIP. Datasheet PIC18f4550. Disponível em: http://ww1.microchip.com/downloads/en /device doc/39632c.pdf Acesso em: 01 mai.2010. MIYADAIRA, Aberto Noboru. Microcontroadores PIC18: aprenda e programe em linguagem C.1.ed.São Paulo:Érica 2009. NATIONAL. LM35 Datasheet. Disponível em :< http://www.national.com/ds/LM/LM35.pdf>.Ace sso em:10.fev.2010. PEREIRA, Fabio.Micro-controladores PIC: progra- mação em C.1.ed.São Paulo:Érica 2003. ROSA, Roberto. Introdução ao Sensoriamento Remoto. 5 ed. Uberlândia: Ed. da Universidade Federal de Uberlândia, 2003. WHITMAN, E. and DILL, L. D. Automatic Formal Verification of Block Cipher Implementations. Formal Methods in Computer-Aided Design, vol. 2, pp. 978–986, October 2008.

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