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Instrumentação Inteligente Prof. Dr. Carlos Eduardo Cugnasca carlos.cugnasca@polip.br

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

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Instrumentação Inteligente Prof. Dr. Carlos Eduardo Cugnasca carlos.cugnasca@polip.br

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Presentation Transcript

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

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

  3. 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

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

  5. Motivação Mudanças de paradigmas nos últimos anos: Instrumentos Inteligentes • 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

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

  7. Computação Pervasiva • O computador está embarcado no ambiente de forma invisível para o usuário • Os computadores agem de modointeligente 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 Instrumentos Inteligentes 7 *** 04/07/2004 - CEC

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

  9. Computação Pervasiva e Ubíqua Pressupõem o uso das seguintes tecnologias: Instrumentos Inteligentes • 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

  10. 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 Instrumentos Inteligentes 10 *** 04/07/2004 - CEC

  11. 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 Instrumentos Inteligentes 11 *** 04/07/2004 - CEC

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

  13. 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 Instrumentos Inteligentes 13 *** 04/07/2004 - CEC

  14. Parte II – Redes de Controle 14

  15. 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 Redes de Controle 15 *** 04/07/2004 - CEC

  16. 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 Redes de Controle 16 *** 04/07/2004 - CEC

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

  18. 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: Redes de Controle 18 *** 04/07/2004 - CEC

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

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

  21. 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 Redes de Controle 21 *** 04/07/2004 - CEC

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

  23. Redes de Controle 23

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

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

  26. 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 Redes de Controle 26 *** 04/07/2004 - CEC

  27. Objetivos Principais do padrão LonWorks: Redes de Controle Rede de Controle distribuída, independentede 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

  28. 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 Redes de Controle 28 *** 04/07/2004 - CEC

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

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

  31. Dispositivo Interruptor NV Estado Interruptor Dispositivo Lâmpada Neuron Chip NV Estado Lâmpada Neuron Chip InstalaçãoBinding Redes de Controle

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

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

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

  35. 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, ...

  36. Redes de Controle Campo de aplicação de uma RSSF

  37. 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

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

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

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

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

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

  43. RSSF em operações de campo: Redes de Controle • 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 ...

  44. Redes de Controle RSSF em AP - Pesquisas persistentes: • Retornar repetidamentevalores 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 simultaneamenteum valor anormal • Ex: Nível de infestação por praga Source: Bonnet, 2000

  45. Construção de mapas com RSSF Redes de Controle Através de pesquisa na rede, obtero 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 

  46. Parte III – Padronização

  47. 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

  48. IEEE 1451: Padronização 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

  49. IEEE 1451 – Alguns objetivos: Padronização • 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

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

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