automação em ambientes residenciais

7/23/2019 Automao Em Ambientes Residenciais

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Universidade de Aveiro2008

Departamento deEngenharia Mecnica

Lus Filipe Gomes

da Silva

Automao em Ambientes Residenciais


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Jri

Presidente: Prof. Doutora Mnica Oliveira, Professora Auxiliar, Departamento deEngenharia Mecnica, Universidade de Aveiro

Arguente: Prof. Doutor Carlos Cardeira, Professor Auxiliar, Instituto SuperiorTcnico, Universidade Tcnica de Lisboa

Orientador: Prof. Doutor Jos Paulo Santos, Professor Auxiliar, Departamento deEngenharia Mecnica, Universidade de Aveiro

Co-orientador: Prof. Doutor Rui Moreira, Professor Auxiliar, Departamento deEngenharia Mecnica, Universidade de Aveiro


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Agradecimentos Aos meus pais e minha famlia por terempermitido chegar aqui.

Aos meus orientadores, Professor Jos PauloSantos e Professor Rui Moreira pelaorientao, apoio e compreenso.

Ao Marcos e ao Peter pelo apoio e companhianos estudos, e aos meus amigos pessoaispela motivao, apoio e pacincia.


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Palavras-chave Domtica, X10, EIB/KNX, Qbus, autmato programvel,comunicao, monitorizao e controlo remoto.

Resumo A automao hoje uma realidade emergente em ambientesresidenciais. O conceito de habitao tem mudado na ltima dcada

em funo da rpida evoluo tecnolgica. Neste contexto surge a

domtica, que tem por objectivo a automatizao das habitaes.

Actualmente, existe uma oferta bastante diferenciada de solues

na rea da automao residencial, mas existem limitaes ao nvel

da interligao e da partilha de informao entre diversos sistemas

funcionais.

O trabalho desenvolvido demonstra a aplicabilidade de mecanismos

de integrao de sistemas de domtica. Foram assim desenvolvidas

ferramentas de software que permitem o controlo e a monitorizao,

individual e integrada, da rede X10, da rede Qbus e uma rede de

autmatos programveis.

Foram tambm desenvolvidas interfaces de utilizao simples e

amigvel, que permitem o controlo e monitorizao local e remoto

do sistema prottipo desenvolvido.


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Key words Home automation, X10, EIB/KNX, Qbus, PLC, communication,remote monitoring and control.

Abstract The automation is today an emergent reality in residentialenvironments. The habitation concept has changed in the last

decade following the fast technological evolution. In this context and

with the main objective of automating day to day activities, the house

automation has been considered to be a needed feature in

contemporary houses. Currently, several differentiated solutions for

residential automation exist, but limitations to the level of the

interconnection and the sharing of information the functional systemsis usually a reality.

The developed work demonstrates the applicability of integration in

home automation systems. Thus, software tools that allowing the

control of X10 and Qbus devices along with a local net of PLCs,

were developed.

Also simple and friendly interfaces have been developed, allowing

the local and remote control of the proposed prototype system.


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ndice

1

Introduo ............................................................................................................................... 1

1.1.1 Controlo de Iluminao .............................................................................................. 2

1.1.2 Controlo de acessos .................................................................................................. 3

1.1.3 Sistemas de segurana .............................................................................................. 4

1.1.4 Sistemas de videovigilncia ....................................................................................... 6

1.1.5 Sistemas de aquecimento e ar condicionado e ventilao ......................................... 6

1.2 Objectivos ......................................................................................................................... 7

2Estado da Arte ........................................................................................................................ 9

2.1 Sistemas de Domtica ...................................................................................................... 9

2.1.1 Protocolo X10 ............................................................................................................ 9

2.1.2 Protocolo EIB ............................................................................................................14

2.1.3 Protocolo QBUS ........................................................................................................20

2.1.4 Sistema baseado num PLC .......................................................................................21

2.1.5 Protocolo LonWorks ..................................................................................................23

2.1.6 Principais diferenas entre as diversas tecnologias ..................................................27

2.2 Protocolos de Comunicao ............................................................................................31

2.2.1 Modelo de referncia OSI .........................................................................................31

2.2.2 Protocolo de Comunicao RS-232 ..........................................................................33

2.2.2 Protocolo de comunicao RS 485 ...........................................................................34

2.2.3Protocolo de comunicao TCP/IP ............................................................................35

2.2.4 Protocolo de comunicao Modbus ..........................................................................39

2.2.5 Protocolo de Comunicao ZIGBEE .........................................................................42

3Arquitectura Proposta .............................................................................................................45

3.1 Sistema de comunicaes da arquitectura proposta ........................................................47

3.1.1 Comunicao AutmatoAutmato .........................................................................47

3.1.2 Comunicao PCPLC ...........................................................................................54

3.1.3 Comunicao X10PC ............................................................................................57

3.1.4 Comunicao Qbus - PC ...........................................................................................59

3.1.5 Comunicao PCBase de dados ...........................................................................61


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Mestrado Integrado em Engenharia Mecnica

xii

4Implementao e anlise do desempenho .............................................................................65

4.1 Estrutura do sistema prottipo proposto ..........................................................................66

4.1.1 Hardware utilizado ....................................................................................................66

4.1.2 Software desenvolvido ..............................................................................................71

4.2Anlise de desempenho ..................................................................................................92

5Concluso ..............................................................................................................................95

6Referencias Bibliogrficas Utilizadas ......................................................................................97

Anexos ......................................................................................................................................99

Anexo 1 ............................................................................................................................... 100

Anexo 2 ............................................................................................................................... 101

Anexo 3 ............................................................................................................................... 102

Anexo 4 ............................................................................................................................... 103


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ndice de figuras

Figura 1 - Mdulos (X10) de calha DIN que permite o controlo da luminosidade [1]. ................. 3

Figura 2 - Terminal de controlo de acessos com identificao biomtrica por impresso digital[2]............................................................................................................................................... 4Figura 3 - Exemplo de um detector de intruso [3]. .................................................................... 4Figura 4 - Exemplo de um detector de incndio [3] .................................................................... 5Figura 5 - Exemplo de um detector de inundao [3]. ................................................................ 5Figura 6 - Exemplo de um sistema de videovigilncia [4]. .......................................................... 6Figura 7 - Envio de sinais binrios 1 e 0....................................................................................11Figura 8 - Exemplo da transmisso de um comando, no caso A2 ON. ......................................12Figura 9 - Esquema tipo de uma rede EIB [7]. ..........................................................................14Figura 10 - Imagem com as diversas formas que a topologia fsica de um sistema EIB podeassumir [7]. ...............................................................................................................................15Figura 11 - Imagem esquemtica de uma estrutura EIB. ..........................................................16Figura 12 - Esquema tipo do endereamento fsico de um mdulo EIB. ...................................17Figura 13 - Formato dos endereos de grupo. ..........................................................................17Figura 14 - Imagem de um cabo BUS [7]. .................................................................................18Figura 15 - Esquema tpico do sistema Cardio [8]. ....................................................................22Figura 16 - Autmato utilizado num sistema Cardio [8]. ............................................................23Figura 17- Rede de controlo LonWorks tpica [9]. .....................................................................24Figura 18 - Constituio de um MAC_PDU [9]. .........................................................................26Figura 19 - Campo NPDU[9]. ....................................................................................................26

Figura 20Estrutura da mensagem recebida segundo o modelo OSI. ....................................32

Figura 21Esquema dos pinos de uma ficha de RS232. .........................................................33Figura 22Grfico que mostra a variao da taxa de transferncia (bps) em funo docomprimento do cabo Rs 485[10]..............................................................................................35Figura 23cabealho TCP.......................................................................................................37Figura 24- N mestre a emitir em modo unicast. .......................................................................40Figura 25 - Ilustraao do n mestre a emitir em modo Broadcast..............................................40Figura 26- Estrutura de uma mensagem no Modbus.................................................................41Figura 27 - Representao esquemtica da arquitectura proposta. ..........................................46Figura 28 - Rede de autmatos ligados por Ethernet/RS485. ...................................................47Figura 29 - Estrutura de mensagens proposta ..........................................................................49Figura 30 - Exemplo de aplicao da estrutura de mensagens proposta, no caso a Leitura dasada digital 5 do autmato definido pela estao 2. .................................................................49Figura 31 - Exemplo de aplicao da estrutura de mensagens proposta, no caso a activao dasada digital 1 do autmato definido pela estao 3. .................................................................50Figura 32 - Esquema do algoritmo usado na interpretao da mensagem ................................51Figura 33 - Algoritmo utilizado para o processo de leitura de uma varivel do autmato ..........52Figura 34 - Algoritmo utilizado para o processo de escrita de uma varivel no autmato ..........53


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xiv

Figura 35 - Ligao entre o PC e a rede de autmatos .............................................................54Figura 36 - Exemplo de um projecto criado no Facon Server. ...................................................55Figura 37 - Estrutura da Mensagem Proposta ...........................................................................56Figura 38 - Esquema de ligao entre o sistema de domtica X10, um comando RF, e o PC. .57 Figura 39- Modulo CM 11 com sada USB que permite a ligao entre o PC e o sistema dedomtica X10. ...........................................................................................................................58

Figura 40- Esquema de comunicao entre uma ordem dada por RF para o controlo de umequipamento Qbus ou de um equipamento ligado a um autmato. ...........................................59Figura 41Esquema da comunicao PCQbus. ..................................................................60Figura 42- Representao esquemtica da ligao entre o Pc/Aplicao Vb e a base de dados..................................................................................................................................................61Figura 43 - Campos da tabela SQL que controla e monitoriza o sistema de domtico proposto..................................................................................................................................................62Figura 44 - o mdulo de aparelho X10 [13]. ..............................................................................66Figura 45 - interruptor de Calha DIN [13]. .................................................................................67

Figura 46 - receptor de radiofrequncia de sinais X10 [13]. ......................................................67Figura 47- Mdulo CM 11[13]. ...................................................................................................68

Figura 48 - Comando de radiofrequncia [13]. ..........................................................................68Figura 49Modulo ETH02, interface de Ethernet[14]. .............................................................69Figura 50 - Dim04-300Modulo Dimmer[14]...........................................................................69Figura 51 - SWI04Interruptor Qbus [14]. ...............................................................................70Figura 52Autmato Fatek Corp, modelo Fbs-60MC [15]. ......................................................70Figura 53Autmato Fatek Corp, modelo Fbs-20MC [15]. .......................................................71Figura 54 - Funcionamento do software quando o utilizador controla ou monitoriza o sistema. 76 Figura 55 - Esquema que representa o funcionamento do software com controlo por parte doutilizador. ..................................................................................................................................77Figura 56Panorama Geral da Interface Grfica desenvolvida. ..............................................78

Figura 57Menu de funes bsicas. ......................................................................................79Figura 58Menu inteligente. ....................................................................................................80Figura 59Monitorizao dinmico do prottipo. .....................................................................81Figura 60Deteco de intruso no lado norte da habitao................................................81Figura 61Quadro de Comunicaes e de Controlo................................................................82Figura 62Menu de temporizaes. ........................................................................................83Figura 63Aspecto da pgina Web desenvolvida. ...................................................................84Figura 64zonas de controlo e gesto dos diversos mdulos do prottipo. .............................85Figura 65Janelas desenvolvidas no prottipo que contemplam a segurana. .......................86

Figura 66Diferenas entre interface Web e Visual Basic. ......................................................87Figura 67Menu de Funes inteligentes.............................................................................87

Figura 68 - Esquema de funcionamento da aplicao flash desenvolvida. ................................88Figura 69 - Aspecto da aplicao Flash desenvolvida. ..............................................................89Figura 70 - Exemplo de navegao entre menus. .....................................................................90Figura 71Menu de Iluminao geral na aplicao flashdesenvolvida. ..................................90Figura 72Menu de controlo remoto da iluminao da sala. ...................................................91Figura 73Menu das funes inteligentes. ..............................................................................91


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ndice de Tabelas

Tabela 1- Lista de exemplos de comandos X10 bsicos. ..........................................................12Tabela 2Esquema dos pinos de uma ficha RS232. ...............................................................33Tabela 3 - Tempos de reaco do sistema prottipo proposto ..................................................93


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1

1 Introduo

O conceito de habitao tem mudado ao longo dos tempos em funo da mudana de estilo de

vida da sociedade. A rpida evoluo tecnolgica das ltimas dcadas contribuiu para esta

mudana de estilo de vida. Esta constante mudana e evoluo da sociedade tem se

repercutido na forma de utilizao da habitao que foi adaptando-se s exigncias dos seus

ocupantes.

A evoluo tecnolgica nos ltimos anos tem contribudo para o desenvolvimento constante dos

sistemas de informao, dos sistemas electrnicos e de comunicaes. Esta evoluo

tecnolgica tem trazido para os mercados produtos que num passado recente eram meros

objectos de fico cientfica e que hoje so uma realidade emergente.

Contudo, ainda subsistem limitaes ao nvel da interligao dos diversos sistemas funcionais.

De facto, verifica-se uma total ausncia de partilha de informao, onde cada sistema age com

total independncia, ocorrendo mesmo redundncia das funcionalidades.

A domtica tem por objectivo a automatizao das habitaes para satisfazer as necessidades

dos seus ocupantes, tais como:

Segurana: segurana contra intruso, segurana tcnica (sistemas de alarme contra

incndios, inundaes, etc);

Confor to: automao de funes de rotina, controlo de iluminao, controlo de

ventilao e climatizao, distribuio de udio e vdeo;

Ges to En er gtica: controlo e racionalizao energticos, telemanuteno, telegesto;

Comun ic aes: so consideradas as comunicaes internas, com o exterior, com o

objectivo de integra-las da forma mais eficiente e global.

A palavra domtica resulta da juno da palavra domus (casa) com robtica (controlo

automatizado de algo). A domtica pode emergir em novos contextos. Esta pode prestar um


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2

auxlio importante no apoio a pessoas com deficincias ou pessoas idosas, permitindo assim

uma melhor qualidade de vida e uma maior autonomia. A domtica pode estar relacionada com

a automatizao de funes no auxlio e aviso (lembra toma de medicamentos) ou mesmo

monitorizar a actividade no interior da habitao.

Desta forma, a domtica ser um conceito que far cada vez mais sentido. Problemas como a

gesto de recursos, ausncia de pessoas em casa, envelhecimento da populao e problemas

de segurana, iro contribuir para uma mudana de imagem da domtica, ainda associada nos

dias que correm a um luxo, para uma imagem que se relaciona com a necessidade de uma

simples ferramenta imprescindvel do quotidiano.

Contudo, os sistemas actuais de domtica como KNX-EIB, QBUS, X10 e outros no do uma

resposta completa s exigncias dos seus ocupantes, focando-se essencialmente no controlo

de iluminao e de estores, podendo ter algumas interaces com os outros subsistemas de

segurana, controlo de acessos e outros sistemas funcionais. Assim, um sistema de domtica,

no seu conceito mais amplo, deve ser uma soluo integrada, dispondo de diversas tecnologias

de suporte.

Estas tecnologias de suporte surgem no mercado como solues independentes, e permitem

desenvolver sistemas funcionais, associados a funes normalmente autnomas, como por

exemplo: controlo de iluminao, controlo de acessos, segurana, conforto trmico, entre

outros.

1.1.1 Controlo de Iluminao

Todos os sistemas de domtica contemplam o controlo de iluminao e da distribuio

elctrica. Normalmente esta funo surge como a funo central de um sistema de domtica,

razo pela qual usual confundir domtica com o controlo da iluminao. No mercado existem

diversas solues (Figura 1), nomeadamente as solues inerentes a cada sistema dedomtica (X10,EIB, Qbus, etc). O controlo da iluminao pode ser processado manualmente

(atravs de boto e/ou telecomando), por programao horria, telefonicamente, atravs de um

PC, autonomamente por um nvel de luminosidade (sensor crepuscular) ou por movimento em

quase todos os sistemas de domtica.


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3

Figura 1- Mdulos (X10) de calha DIN que permite o controlo da luminosidade [1].

1.1.2 Controlo de acessos

O controlo de acessos tambm uma funcionalidade tpica de uma casa inteligente. O controlo

de acessos importante ao nvel da segurana uma vez que permite ao dono de casa controlar

o acesso s instalaes.

Existem sistemas de acesso com leitura de cartes de banda magntica ou com insero de

cdigos pessoais, mas os mais utilizados e fiveis recorrem identificao biomtrica

(impresso digital (Figura 2), reconhecimento de voz, de palma de mo, etc). Existem no

mercado diversos equipamentos que podem ser controlados remotamente atravs de um PC,

de um autmato ou serem completamente autnomos.

Por questes de segurana, o sistema de controlo de acessos normalmente instalado de

forma autnoma e independente, no existindo comunicao com outros sistemas.


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4

Figura 2 - Terminal de controlo de acessos com identificao biomtrica por impresso digital [2]

1.1.3 Sistemas de segurana

A funo da segurana, quando associada a um sistema de domtica, assegura usualmente

dois tipos de interveno:

segurana relativa a intruso, usando detectores, alarmes e outras formas de dissuaso

e aviso (Figura 3);

segurana tcnica, como por exemplo, detectores de fugas de gs, detectores de

incndio e deteco de inundao entre outras possibilidades.

No que respeita deteco de intruso usual recorrer-se ao uso de detectores de presena,

de movimento, ou de passagem, detectores magnticos de embutir nas janelas e entradas

consideradas de risco, detectores volumtricos, fotoclulas, entre outros equipamentos.

Figura 3 - Exemplo de um detector de intruso[3].


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Por outro lado, no campo da segurana tcnica, a deteco de incndio normalmente

realizada por detectores ptico-trmicos (Figura 4) nas zonas susceptveis de incndio, tais

como: lareiras, zona da caldeira do aquecimento central e cozinha.

Figura 4 - Exemplo de um detector de incndio[3]

Outra forma de segurana tcnica o detector de inundao, que permite a proteco contra

os danos causados por entrada de gua e inundaes. Um dos detectores de inundao mais

simples consiste num sensor com 2 contactos abertos (Figura 5), que instalado em zonas

potencialmente afectadas tais como: caves, garagens subterrneas, lavandaria, cozinhas,

quartos de banho e balnerios. Este sensor detecta a passagem elctrica entre os 2 elctrodosquando estes esto imersos em gua.

Figura 5 - Exemplo de um detector de inundao [3].

Os detectores normalmente esto ligados a uma central de alarmes, que permite gerir e

monitorizar estas funes de deteco, usando recursos de aviso tais como alarmes sonoros,

envio de mensagens telefnicas, ou eventualmente notificaes via correio electrnico.


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6

1.1.4 Sistemas de videovigilncia

Os sistemas de videovigilncia (Figura 6) so actualmente considerados indispensveis numa

habitao inteligente, ou mesmo em qualquer tipo de infra-estrutura onde seja exigida algum

nvel de segurana. No mercado, e face ao aumento da procura deste tipo de sistemas, existe

uma grande oferta e um contnuo desenvolvimento destes produtos e servios.

Figura 6 - Exemplo de um sistema de videovigilncia [4].

1.1.5 Sistemas de aquecimento e ar condicionado e ventilao

Os sistemas de aquecimento e de ar condicionado so fundamentais para garantir uma

climatizao adequada no ambiente residencial. Os sensores de temperatura e de humidade

podem medir estes parmetros em diversas divises da casa e activa ou desactivar de forma

independente vlvulas e controlos de temperatura, regulando assim a temperatura e

procurando um equilbrio entre o conforto e a gesto eficiente de energia. Na ventilao e no ar

condicionado existem sensores de corrente de ar que podem monitorizar o estado do sistema

de ar condicionado, que devem fazer parte integrante de um sistema de domtica.


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1.2 Objectivos

No actual panorama das solues de domtica disponveis no mercado existe uma grande

diversidade de solues funcionais, s quais no esto integradas entre si. De facto, a

autonomia e a inexistncia de interligao, ou de partilha de recursos, uma constante nos

equipamentos de domtica actualmente existentes e instalados nas habitaes inteligentes.

A falta de integrao de sistemas em parte justificada pela ausncia de padres normalizados

que actuam sobre estes equipamentos e tambm pelo facto de serem produzidos por

fabricantes diferentes. No entanto, a interligao dos diversos sistemas e a partilha de recursos

assume uma posio de destaque no desenvolvimento de sistemas de domtica integrados e

eficientes.

Neste contexto, objectivo deste trabalho demonstrar a aplicabilidade de mecanismos de

integrao de sistemas de domtica, associando e interligando as mais diversas tecnologias de

suporte existentes actualmente. Para o efeito estabelecido um conjunto de requisitos para a

soluo a propor, nomeadamente:

deve permitir a integrao de alguns protocolos de domtica existentes no

mercado, nomeadamente a integrao da rede X10, a rede QBUS e de uma rede de

autmatos programveis disponveis no departamento;

deve ter elevada flexibilidade de reconfigurao;

deve permitir a monitorizao e o controlo remoto da habitao;

deve ter uma interface de utilizao simples e amigvel;

deve ter uma elevada capacidade de expanso e reconfigurao de tipologia.


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2 Estado da Arte

O desenvolvimento de novas solues passa sempre por um estudo inicial das solues

existentes no mercado. Neste contexto, este captulo tem por objectivo explicar as principais

solues de domtica existentes. De uma forma simplificada podemos descrever um sistema

de domtica como um conjunto de sensores e actuadores ligados em rede. Desta forma, os

protocolos de comunicao entre equipamentos num sistema de domtica assumem uma

grande importncia. Por essa razo, neste captulo tambm se far um levantamento

bibliogrfico de diversos protocolos de comunicao, alm dos principais sistemas de domtica.

2.1 Sistemas de Domtica

No panorama actual existe uma grande diversidade de solues ao nvel da domtica. Neste

contexto procedeu-se a um levantamento bibliogrfico acerca dos sistemas de domtica mais

relevantes no mercado.

2.1.1 Protocolo X10

O Protocolo X10 uma das tecnologias com maior abundncia de produtos, clientes e

fornecedores nos Estados Unidos da Amrica. Inicialmente a tecnologia foi mais requisitada

pelos amadores ligados rea de automatizao de habitaes, sendo mesmo a mais utilizada

nas instalaes domticas caseiras.

A tecnologia X-10 foi desenvolvida entre 1976 e 1978 pela empresa Pico Electronics Ltd, em

Glenrother, Esccia, com a finalidade de transmitir dados atravs de uma linha elctrica de

baixa velocidade (50 bps na Europa e 60 bps nos EUA). O nome X10 surgiu porque este foi

dcimo projecto da referida empresa [5].

A patente foi posteriormente adquirida pela empresa X10, Ltd e mantida at ter expirado em

1997 [3]. O X10 actualmente um protocolo de domtica aberto, permitindo a qualquer

fabricante o desenvolvimento de produtos baseados nesta tecnologia, que utiliza a rede

elctrica existente numa habitao para envio dos diversos comandos de controlo.


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2.1.1.1 Camada Fsica

A tecnologia X10 utiliza a rede de distribuio de energia elctrica como o principal meio de

comunicao entre os diversos equipamentos. Este um aspecto chave desta tecnologia e a

sua maior vantagem face a outros protocolos de domtica. Esta tecnologia no necessita de

nenhum elemento central para o seu funcionamento, dizendo por isso que usa uma arquitectura

descentralizada.

Um sistema X10 pode ser apenas constitudo por um conjunto de equipamentos que so

directamente controlados pelo utilizador, ou ento pode ser constitudo por diversos mdulos,

em que cada mdulo consegue receber todos os sinais elctricos que circulam na redeelctrica, e o sistema tem de ser capaz de enderear cada mensagem. Para solucionar a

problemtica anterior, o protocolo X10 implementou um sistema simples de endereamento que

utiliza 16 cdigos do aparelho (1-16) e 16 cdigos de casa (A-P), permitindo enderear sem

equvocos 256 aparelhos. A atribuio destes endereos aos vrios equipamentos X10 da

responsabilidade de cada utilizador nos prprios equipamentos, actuando sobre dois selectores

rotativos, sendo seleccionado em cada um dos selectores um dos cdigos referidos

anteriormente. Se existirem mdulos com o mesmo endereo na nossa rede, esses mdulos

actuam simultaneamente mesma ordem (partilha de endereo).

2.1.1.2Camada Lgica

A comunicao no protocolo X10 baseia-se na injeco de sinais de alta frequncia (120Khz),

sobre a rede elctrica comum, 220V corrente alterna, representando sinais binrios (1 ou 0). O

sinal inserido depois da onda sinusoidal de 50Hz ter passado pela origem, com um atraso

mximo de 200 micro segundos. Esta particularidade til aos receptores para saberem

quando devem escutar a linha.

Uma vez que o meio de distribuio de energia electricamente muito ruidoso, a forma que se

encontrou para resolver esse problema, diminuir a probabilidade do rudo elctrico ser

confundido com um sinal vlido, foi garantir que um bit nunca enviado isolado, sendo enviado


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sempre o bit e o seu complemento. Isto significa que o envio do bit 1 conseguido pelo envio

de um bit 1 (sinal de 120kHz na origem) seguido de um 0 (ausncia de sinal). No caso do envio

de um bit a 0 enviado um 0 (ausncia de sinal) seguido de um 1 (frequncia de 120kHz na

origem), como ilustrado na Figura 7.[5]

Figura 7 - Envio de sinais binrios 1 e 0.

No que diz respeito estrutura das mensagens enviadas neste protocolo, uma transmisso

completa de um comando X10 engloba a transmisso de quatro campos que ocupam onze

ciclos da onda elctrica. O primeiro campo representa o Start Codesequncia de bits(1 1 1

0), e representa 2 ciclos (neste caso no se verifica a regra de cada bit ser enviado de seguida

o seu complemento). No campo seguinte figura o cdigo da casa e seus respectivos

complementos e representado em 4 ciclos. De igual forma, seguem-se mais 4 bits, que

ocupam 4 ciclos, que representa o cdigo do aparelho ou o cdigo da funo. Para diferenciar

este ltimo campo enviado um ltimo bit (e respectivo complemento), que identifica se o

campo anterior se refere ao nmero de um equipamento (bit= 0) ou ao cdigo de uma funo

(bit = 1).

Cada pacote completo deve ser enviado em dois grupos, o primeiro a indicar o aparelho, e o

segundo a funo a ser executada. Os dois grupos devem ter no mximo trs ciclos da onda

alternada sinusoidal entre eles. Os comandos Dim e Bright so excepes a esta regra edevem ser transmitidos continuamente sem nenhum ciclo de intervalo entre eles. Na Figura 8

est descrito um exemplo da transmisso de um comando simples por X10.


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12

Figura 8 - Exemplo da transmisso de um comando, no caso A2 ON.

Um comando X10 envolve normalmente duas aces, activar um dado equipamento e de

seguida enviar a funo a executar [6]. Aps a activao de um dado equipamento, ele

permanece activo at outro ser referenciado, podendo receber mltiplos comandos, como se

pode ver na tabela 1.

Tabela 1- Lista de exemplos de comandos X10 bsicos.

Lista de Comandos X10

Cd ig o Fu no Descr io

0000 All Units OFFDesliga todos os equipamentos com o cdigo da casa indicado na

mensagem

0001 All Lights ONLiga todos os equipamentos de iluminao (com capacidade de

controlo de brilho)0010 ON Liga um equipamento

0011 OFF Desliga um equipamento

0100 Dim Reduz a intensidade luminosa

0101 Bright Aumenta a intensidade luminosa

0111 Extended Code Cdigo de extenso

1000 Hail RequestSolicita resposta do equipamento com o cdigo da casa indicado na

mensagem

1001 Hail Acknowledge Resposta ao comando anterior

100X Pr-Set Dim Permite seleccionar dois niveis pr-definidos de intensidade luminosa

1100 Extended Data Dados adicionais (seguem-se 8 bytes)

1101 Status is OnResposta ao pedido Status Request, indicando que o equipamento

est ligado

1110 Status is Off Resposta indicando que o equipamento esta desligado

1111 Status Request Pedido solicitando o estado de um aparelho


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2.1.1.3 Servios disponveis no X10

Com a tecnologia X10 o utilizador est restringido capacidade de ligar/desligar ou de regular a

intensidade luminosa das lmpadas. possvel fazer o controlo e a monitorizao de diversosequipamentos da casa como por exemplo a televiso, as persianas, ou ar condicionado, o

sistema de rega. Todavia, nestes equipamentos s possvel utilizar as funes de

ligar/desligar.

Existem equipamentos de interface para PC, nomeadamente por ligao RS232, existindo

assim diverso software que permite gerir um sistema de domtica com a tecnologia X10. No

entanto, possvel para um utilizador avanado criar o seu prprio software, uma vez que o

protocolo X10 um protocolo aberto e amplamente divulgado.

2.1.1.4 Vantagens e Limitaes do protocolo X10

A tecnologia X10 uma tecnologia antiga e barata e apresenta as seguintes vantagens:

possui uma atractiva relao custo/benefcio; constitui uma boa soluo para habitaes antigas ou j construdas;

fcil de instalar e operar.

No entanto, este protocolo possui tambm um conjunto significativo de limitaes que

condicionam a sua aplicao generalizada, tais como:

elevada sensibilidade ao rudo elctrico;

reduzida flexibilidade de reconfiguraes;

limitaes de endereamento (no caso da habitao ao lado possuir umarede X10 poder haver troca de sinais e confuso no sistema);

um protocolo relativamente lento no envio de comandos;

no suporta a confirmao no envio das mensagens.


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2.1.2 Protocolo EIB

O EIB um protocolo de comunicao standard, desenvolvido e orientado pela EIBA (EIB

Association). Este protocolo esta assente sobre a utilizao de um barramento de dados (bus)

de comando que interliga os vrios sistemas envolvidos.

As principais caractersticas da instalao elctrica com bus de comando so as seguintes:

permite integrar varias funes, automatizando-as de forma

independente, mas possibilitando a comunicao entre as mesmas;

permite manter a flexibilidade de reconfigurao;

utiliza uma tenso reduzida de segurana, de modo a tornar a instalao

ainda mais segura.


O sistema EIB caracterizado pela utilizao de dois circuitos distintos: um circuito de potncia,

para a distribuio de alimentao dos respectivos receptores elctricos, e um circuito de

comando para a transmisso de ordens de comando e informaes, como se pode visualizar na

Figura 9. Esta separao entre o sistema de potncia e o de comando alm de tornar o sistema

fivel, permite em qualquer altura expandir ou modificar facilmente a instalao [7].

Figura 9 - Esquema tipo de uma rede EIB [7].


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A topologia fsica do EIB pode assumir diversas formas, tais como a topologia linear, em

estrela, em anel, em rvore ou uma combinao destas, como se pode visualizar na Figura 10.

Figura 10 - Imagem com as diversas formas que a topologia fsica de um sistema EIB pode

assumir [7].

O sistema EIB est organizado segundo uma estrutura hierarquizada, sendo uma rede EIBcomposta por zonas EIB e estas por linhas EIB.

Uma linha EIB a entidade mais pequena do sistema, sendo constituda por uma alimentao

e por diversos produtos EIB, normalmente designados por participantes. Uma linha EIB suporta

no mximo 64 participantes.

Numa zona ou rea EIB possvel prever mais de 64 participantes. No entanto, torna-se

necessrio acrescentar e interligar as vrias linhas entre si. Para tal exigido a definio de

uma linha principal, onde todas as outras so ligadas atravs de acopladores de linha.

possvel interligar 15 linhas secundrias a uma linha principal. Ao conjunto de vrias linhas d-se o nome de Zona EIB.

Numa rede EIB de grandes dimenses possvel integrar at um mximo de 15 zonas (Figura

11). Desta forma, a estrutura mxima de uma rede EIB permite interligar e suportar mais de

15000 participantes, dependendo este nmero do uso ou no de repetidores ao longo do

barramento de dados (bus)de comando.


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Figura 11 - Imagem esquemtica de uma estrutura EIB.

Existem diferentes tipos de participantes do ponto de vista funcional, os vulgarmente

denominados de mdulos de entrada ou sensores (botes de presso, interruptores, detectoresde movimento sensores, etc) que so sensveis a comandos, ordens ou a medio de

grandezas fsicas, processando e enviando comandos aos mdulos de sada. Estes ltimos,

vulgarmente denominados de mdulos de sadas so actuadores que recebem, interpretam e

executam as ordens provenientes dos mdulos de entrada. Os participantes de sada so na

realidade interfaces de potncia uma vez que escutam as informaes transmitidas pelos

mdulos de entrada e executam as ordens ou comandos que a eles se destinam.

Numa instalao EIB cada participante inserido no sistema ter uma designao nica. Esta

designao conhecida como endereo fsico do produto e funciona como Bilhete de

Identidade do aparelho. O endereo fsico tem uma estrutura estabelecida, como se pode

observar na Figura 12.


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Figura 12 - Esquema tipo do endereamento fsico de um mdulo EIB.

O endereo fsico de um produto poder ser, por exemplo 3.11.55. Isto significa que o produto

ser o 55 participante instalado na linha 11 da zona 3. O endereo fsico de um produto est

assim estritamente relacionado com a sua posio dentro da estrutura EIB.

Existe ainda o endereo de grupo que se define durante a programao da instalao e

utilizado para definir que produtos devem comunicar entre si. Podem existir 2 ou 3 nveis

devendo ser escolhido aquele que melhor se adequa situao. Na Figura 13pode observar-se

uma estrutura tipo dos endereos de grupo de 2 nveis [5].

Figura 13 - Formato dos endereos de grupo.

2.1.2.2 Camada Lgica

Os dados so transmitidos atravs de um par entranado, podendo tambm ser transmitidos

sobre a rede elctrica 220V. A transmisso de sinais feita por meio da diferena de tenso

entre os dois condutores do cabo.

O modo de transmisso dos dados mais utilizado sem dvida o cabo bus, como se pode

visualizar na Figura 14. O cabo normalmente recomendado pela EIBA habitualmente de cor

verde ou cinzenta e deve respeitar um conjunto de normas e requisitos. Os cabos YCYM


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2x2x0,8 ou J-Y(St)Y 2x2x0,8 so dois exemplos de cabos comuns entre aplicaes nesta

funo e so constitudos por dois pares entranados:

par 1: vermelho (+)/ preto (-) -> suporte da comunicao EIB;

par 2: amarelo/branco -> reserva.

Estes cabos ainda so caracterizados por terem uma bainha exterior em PVC, e apresenta uma

blindagem metlica, que reduz o efeito exterior de origem electromagntica. A seco dos

condutores normalmente de 0.8 mm.

Figura 14 - Imagem de um cabo BUS [7].

A velocidade mdia de transmisso de dados de aproximadamente 9,6kbps. No exigida

nenhuma combinao de impedncias.

A informao modulada sobre baixa tenso (24VDC) e separada da linha de alimentao

dos equipamentos. Tem de existir, pelo menos, uma linha de alimentao por barramento (bus).


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19

2.1.2.3 Servios disponveis no EIB

Numa instalao elctrica moderna que possua o sistema EIB possvel ter o controlo e a

monitorizao de diversos domnios tais como:

controlo de iluminao;

comando de estores, persianas, toldos ou portes motorizados;

controlo de aquecimento, ventilao e ar condicionado;

integrao do sistema de segurana;

comunicao com outros sistemas;

monitorizao do funcionamento da instalao;

controlo e monitorizao da instalao distncia.

O funcionamento do sistema ser definido atravs da programao dos produtos EIB. A

programao feita normalmente atravs de um PC utilizando um software especfico, o ETS

(EIB Tool Software), que adquirido directamente EIBA. Este programa informtico permite a

criao do projecto, a escolha dos produtos a utilizar, a atribuio dos endereos fsicos, a

criao dos endereos de grupo e a parametrizao dos produtos.

2.1.2.4 Vantagens e limitaes do protocolo EIB

O protocolo EIB surge como um protocolo com muitas vantagens, razo pela qual um dos

mais utilizados actualmente. As suas principais vantagens so:

simplificao e reduo da cablagem;

circuito de comando realizado em Tenso Reduzida de Segurana;

liberdade na atribuio de funes e aplicaes;

integrao de comandos distncia; agrupamento de comandos;

facilidade de instalao;

disponibilizao de informaes para efeitos de controlo;

elevada flexibilidade de reconfigurao e expanso.


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As suas principais limitaes relacionam-se com o elevado preo da sua instalao e a

dificuldade associada programao, que no acessvel ao utilizador comum.

2.1.3 Protocolo QBUS

O Qbus um protocolo proprietrio da empresa Qbus, que desenvolve e comercializa os

mdulos desta tecnologia.


O sistema QBUS um sistema de domtica baseado num conjunto de controladores que se

encontram num quadro central ou parcial, as quais se interligam uma srie de mdulos de

entrada e sada, recorrendo a um barramento de dados (Bus) de comando com dois

condutores.

Os controladores que normalmente se encontram no quadro central tm essencialmente duas

funes. A primeira funo a comunicao interna, ou seja o processamento de todos os

sinais de entrada e envio da informao a todos os mdulos relevantes. A segunda funo a

alimentao de todos os mdulos QBUS.

Os controladores podem, consoante o seu tipo, adicionar 16, 32 ou 400 sadas distintas.

Normalmente cada controlador vem equipado de origem com funes lgicas, capacidade de

realizar operaes on line, entre outras funes.


O barramento de dados (bus) do QBUS caracterizado por ter dois condutores

preferencialmente do tipo par entranado blindado. O barramento de dados (bus) tem

realmente uma polaridade distinta para cada um dos condutores, no entanto todos os mdulosQBUS permitem a troca de polaridade.

O barramento de dados (bus) dever ser preferencialmente instalado numa estrutura tipo anel,

mas pode ser igualmente instalado numa estrutura segundo uma topologia em estrela, rvore

ou numa combinao entre estas duas variantes. A comunicao pode ser half-duplex ou full-


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duplex, ou seja cada mdulo pode enviar ou receber sinais para uma unidade central, ou

tambm pode ser simultnea ou seja suporta vrios comandos e/ou programaes que podem

ser efectuadas em simultneo sem conflitos.

2.1.3.3 Servios disponveis no Qbus

O QBUS apresenta servios muito semelhantes ao protocolo EIB, uma vez que utilizam a

tecnologia bus como elemento fundamental no seu protocolo. No entanto, o protocolo QBUS

um protocolo proprietrio, existindo no site do QBUS determinadas bibliotecas de funes que

tornam possvel ao utilizador desenvolver softwarede controlo e monitorizao de um sistema

de domtica.

2.1.3.4 Vantagens e limitaes do protocolo Qbus

As vantagens do protocolo Qbus so:

simplificao e reduo da cablagem;

circuito de comando realizado em Tenso Reduzida de Segurana;

liberdade na atribuio de funes e aplicaes;

integrao de comandos distncia.

As principais limitaes do protocolo Qbus devem-se ao facto de o protocolo ser proprietrio, o

que implica uma restrio de solues disponveis no mercado e dependncia do proprietrio.

2.1.4 Sistema baseado num PLC

Este sistema de domtica assenta sobre um controlador lgico programvel centralizado, ligadodirectamente aos postos de comando (interruptores, actuadores, sensores).

O sistema Cardio um exemplo desta forma de domtica, sendo um dos mais utilizados em

Portugal, principalmente em habitaes do tipo unifamiliar. Este sistema pode facilmente

acoplar-se instalao elctrica de uma vivenda, tanto em construo, como construda, com

algumas modificaes relativamente instalao normal.


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Com este sistema podemos controlar praticamente tudo numa habitao, tais como: a

iluminao, o ar condicionado, o sistema de rega, a vigilncia e segurana entre outros, o que

faz com que se tenha o controlo absoluto da casa.

Este sistema baseado num autmato ligado a uma interface grfica para o utilizador, quenormalmente uma consola tctil ou variais interligadas. Nesta consola possvel controlar,

configurar e monitorar todo o sistema de domtica da habitao. A Figura 15representa de uma

forma esquemtica um sistema tpico de Cardio.

Figura 15 - Esquema tpico do sistema Cardio [8].

Os autmatos utilizados neste sistema de domtica so autmatos convencionais, ou seja,possuem uma carta de entrada, uma carta de sada e uma porta de ligao Ethernet. Na Figura

16pode visualizar-se um autmato tipo utilizado num sistema de domtica Cardio.

A carta de entradas permite obter informao sobre algo que foi accionado, enquanto que a

carta de sada um mecanismo que permite accionar um determinado mecanismo, por

exemplo uma lmpada ou uma electrovlvula. A porta UTP permite estabelecer a comunicao

com uma consola tctil central, que pode ou no ter outras emparelhadas. A ligao Ethernet

permite, por exemplo, ligar o autmato a um PC e este internet ou a uma rede local,

permitindo o controlo remoto atravs da internet.


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Figura 16 - Autmato utilizado num sistema Cardio [8].

2.1.5 Protocolo LonWorks

O sistema LonWorks uma tecnologia que possibilita a criao de sistemas abertos e

distribudos para solues em automao industrial, residencial, sistemas de transporte e redes

de controlo gerais [9].

O sistema LonWorks uma tecnologia que inclui a infra-estrutura de hardware e software para

a operao de uma rede de controlo denominada Local Operating Network (LON). Trata-se deuma tecnologia aberta, de controlo distribudo, projectado para implementar a interoperabilidade

de redes de controlo.


O protocolo de comunicao utilizado denominado LonTalk (padro ANSI American

National Standards Institute709.1) que implementa as sete camadas do modelo de referncia

OSI (International Organization for Standarization). Permite seis meios fsicos de transmissode sinais: cabos elctricos, par entranado, cabo coaxial, infravermelho, radiofrequncia e fibra

ptica. A parte principal de uma rede de controlo LonWorks um circuito integrado de nome

Neuron Chip. Os controladores Neuron Chip implementam o protocolo LonTalk (firmware) e os

transceiversque permitem a ligao aos distintos meios fsicos de transmisso.


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O controlo da rede distribudo nos equipamentos (ns). Cada n tem o seu prprio programa,

e de acordo com a funcionalidade pretendida, comunica com os outros ns atravs do protocolo

LonTalk.

Os ns presentes no sistema podem dividir-se em dois grupos funcionais: o grupo de ns

controlo, com memria e capacidade de processamento, e o grupo de ns

transdutores/actuadores, que actuam unicamente lendo as variveis dos transdutores e

enviando-as atravs da rede at aos ns de processamento. Similarmente, um n actuador

pode simplesmente activar uma sada em resposta a uma ordem enviada pelo n de controlo.

Esta distribuio necessria devido ao nmero limitado de entradas/sadas fsicas de cada

n, sendo em muitos casos, impossvel integrar num nico n todas as funes de actuao e

controlo.

A Figura 17 mostra um exemplo de uma rede de controlo LonWorks tpica.

Figura 17- Rede de controlo LonWorks tpica [9].

O algoritmo de endereamento no protocolo LonWorks define qual o pacote que

encaminhado de um equipamento para um ou vrios equipamentos. Estes pacotes podem serenviados para um nico equipamento, para um qualquer grupo de equipamentos ou para todos

os equipamentos.

Para suportar uma rede de equipamentos, pode conter entre dois a dezenas de milhares de

equipamentos, o protocolo LonWorks suporta vrios tipos de endereos, desde o simples


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endereo fsico at endereos que designam vrios grupos de equipamentos. Os diferentes

tipos de endereos so:

O Endereo fsico (physical address) onde todos os equipamentos Loncontm um nico

identificador de 48 bit chamado Neuron ID. Este identificador tipicamente associado na

fase de fabrico de um equipamento e nunca sofre alteraes at ao fim da sua vida;

O Endereo de equipamento (device adress) onde um equipamento Lon associado um

device adress quando este equipamento instalado na rede de equipamentos Lon. O

device address utilizado porque consegue garantir melhor eficincia na parte do

encaminhamento de mensagens e simplifica a reposio de equipamentos com falhas.

Este endereo assenta sobre trs componentes:o ID de domnio (domain ID), o ID da

sub rede (subnet ID) e o ID do n (node ID);O domain ID identifica um conjunto de

equipamentos que podem interagir entresi. Pode-se enderear ter at 32000

equipamentos num domnio.O subnet ID identifica um conjunto, que pode ir at 127

equipamentos inseridos num s canal ou num conjunto de canais ligados por

repetidores. Este endereo usado para encaminhar, de forma eficiente, os pacotes na

rede. Por domnio pode suportar at 255.O node ID identifica o equipamento individual

contido numa sub rede;

O Endereo de grupo um conjunto lgico de equipamentos inseridos num domnio;

O Endereo de transmisso tem como responsabilidade a identificao de todos os

equipamentos da sub-rede, ou de todos os equipamentos num domnio.


O formato das mensagens que circulam no protocolo LonWorks pode ser visualizado na Figura

18. Assim a informao transmitida pelo bus descrita sob a forma de tramas.


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Figura 18 - Constituio de um MAC_PDU [9].

O BitSync e o ByteSync permitem que todos os equipamentos sincronizem os seus relgios

internos. O campo L2Hdr da trama usado pelo Mac layer do protocolo. De seguida

transmitido um campo de dados chamado Network Protocol Data Unit ou NPDU. A trama

terminada com o envio de um campo de 16 bit CRC que serve para deteco de erros de

transmisso. O campo NPDU pode ser dividido nos seguintes semi-campos como se pode

observar na Figura 19 [9].

Figura 19 - Campo NPDU[9].

O semi-campo version define a verso do protocolo. Format define o tipo de formato para o

semi-campoAddress e Protocol data unit. Dependendo do semi-campo format, o semi-campo

address pode conter um ou mais dos seguintes endereos: source address, destination

address, subnet ID, Destination SubNet ID, Neuron ID. O Protocol Data Unit (PDU) contm os

dados actuais para comunicar com os outros equipamentos.

A comunicao obedece ao protocolo CSMA (Carrier Sense Multiple Access).

2.1.5.3 Vantagens e Desvantagens do Protocolo LonWorks

O sistema LonWorks apresenta-se como uma boa soluo a nvel tcnico, no entanto a sua

principal limitao reside no facto da sua quota de mercado na Europa ser reduzida, o que

implica limitaes a nvel de escolha de fornecedores e resultando restries nas alternativas

para a expanso ou manuteno.O protocolo LonWorks permite:

utilizar diferentes meios de transmisso;

criar sistemas de grande dimenso;

excelentes velocidades de transmisso.


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2.1.6 Principais diferenas entre as diversas tecnologias

Em seguida sero enunciadas as principais diferenas entre as tecnologias abordadasanteriormente.

Assumiu-se que nesta comparao entre os diversos protocolos no se ir fazer distino entre

o protocolo EIB e o Qbus. A enorme diferena entre eles que um o protocolo aberto e outro

proprietrio. No entanto a nvel tcnico so muito similares.

Entre os protocolos descritos anteriormente os que tem maior impacto so o X10 e o EIB. O

X10 tem uma maior divulgao na Amrica do Norte, enquanto que o EIB tem maior divulgao

na Europa. Estes protocolos proporcionam uma maior adeso de novos clientes porque existeno mercado uma grande diversidade de produtos, de fabricantes e de fornecedores, o que

permite uma grande variedade de opes e uma fcil disperso tecnolgica.

A disperso tecnolgica associada ao facto de serem ambos protocolos abertos promove a

adeso de novos fabricantes e fornecedores, permitindo um aumento constante da

sustentabilidade dos protocolos, contribuindo para uma oferta de novos produtos e garantias ao

cliente final.

Estabeleceu-se a diferenciao entre os protocolos a diferentes nveis:

Modo de t ran sm is so d a in fo rm ao

O EIB utiliza um barramento de transmisso prprio (bus), com excelentes garantias de

fiabilidade de transmisso. Os meios de comunicao so o par entranado ou rede elctrica.

Com o par entranado possvel a instalao de sistemas de grandes dimenses (1000m de

comprimento mximo de barramento + 700m de distncia mxima entre barramentos; podem

ser interligados at 15 barramentos e 15 reas). O sistema de par entranado instaladoparalelamente com a rede elctrica.

Se o sistema implementado for uma rede de autmatos, o modo de transmisso pode ter vrias

opes. Uma rede de autmatos pode comunicar entre si usando as ligaes RS 232, Ethernet


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ou RS 485. Se o modo de comunicao entre a rede de autmatos for o protocolo RS 485 ou

Ethernet, possvel a instalao de um sistema de grandes dimenses.

No sistema LonWorks o modo de transmisso pode assumir diferentes meios de transmisso:

par entrelaado, rede elctrica, RF, infravermelhos, fibra ptica e o cabo coaxial.

Actualmente o mais usado o par entrelaado ou a rede elctrica. Permite implementar

sistemas de grande dimenso, devido grande diversidade de endereos, podendo alcanar os

2200m de comprimento mximo do barramento.

O sistema X10 utiliza os condutores de potncia da prpria rede elctrica. Este modo de

comunicao torna difcil a instalao deste protocolo em edifcios de uso colectivo ou edifcios

de elevada complexidade tecnolgica. Por outro lado, este modo de comunicao reduz logo

partida os custos da instalao. Este protocolo esta limitado em termos de distncia a 185

metros, existindo problemas de comunicao para distncias maiores.

Velocid ades de t ransm isso

O sistema X10 no ultrapassa os 50-60 bps porque est limitado frequncia da rede electrica

ser de 50-60 Hz.

O sistema EIB caracterizado por ter uma velocidade mdia de transmisso de 9.6 Kbps.No sistema LonWorks pode atingir-se velocidades mximas de 1,25 Mbps, dependendo do

meio utilizado.

Numa rede de autmatos, a velocidade de transmisso depende dos mdulos de comunicao

utilizados. No caso do mdulo de comunicao utilizar o protocolo de comunicao RS 485,

pode se atingir velocidades de transmisso de dados de 921.6 Kbps.

Nmero mxim o de equ ipamentos

No protocolo EIB se s forem usados acopladores de linha o sistema chega facilmente atingir

os 1000 equipamentos por rea. Se, para alm destes tambm forem usados acopladores de

rea e repetidores o sistema pode chegar a atingir os 57.600 equipamentos.


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No protocolo LonWorks possvel ter um nmero mximo de 32000 equipamentos enquanto

que no protocolo X10 apenas possvel atribuir 256 endereos diferentes a equipamentos.

Numa rede de autmatos possvel enderear tantos equipamentos quanto o numero deautmatos que a rede possa suportar. Um autmato convencional pode ter 24 sadas digitais

e36 entradas digitais, aos quais poderemos enderear um ou vrios equipamentos, em funo

da estrutura do nosso sistema.

Al im entao de equ ipam ento s

No protocolo EIB os equipamentos so alimentados directamente a partir do prprio meio de

comunicao. O meio para o envio de dados no o mesmo meio que alimenta os

equipamentos. A informao modulada e conduzida sobre 24VDC.

No protocolo LonWorks os equipamentos so alimentados a partir de fontes de alimentao

prprias existentes em cada n. Assim, o meio por onde so enviados os dados no o mesmo

que os alimenta.

No protocolo X-10 os equipamentos so alimentados directamente da rede elctrica, e tambm

sobre ela que enviam os dados.

Uma rede de autmatos alimentada pelos convencionais 220VAC, as suas entradas digitais e

sadas digitais so alimentadas com 24VDC.

Arqu itectura do sistema

O protocolo EIB opta usualmente pela arquitectura descentralizada. No entanto existe a

possibilidade de se optar pela arquitectura centralizada.


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O protocolo LonWorks utilizava inicialmente uma arquitectura centralizada. Actualmente e face

aos problemas existentes na arquitectura centralizada, utiliza uma arquitectura o mais

distribuda possvel.

O protocolo X10 caracterizado por utilizar uma arquitectura descentralizada, enquanto que

uma rede de autmatos tem a possibilidade de ter uma arquitectura descentralizada ou

centralizada.

Endereamento d e equip amento s e pro toc olo em geral

No protocolo EIB pode ser enviada a mensagem para um equipamento, para um grupo de

equipamentos, ou para todos os equipamentos. Utiliza um sistema composto por acopladores

de linha e de rea para expandir a rea coberta pelo sistema EIB. Os dados a enviar so

modulados e transmitidos sobre as linhas de alimentao (24VDC). O envio de informao

obedece ao modelo OSI que composto por 7 camadas.

O protocolo LonWorks similar ao sistema EIB neste contexto uma vez que envia a mensagem

para um equipamento, para um grupo de equipamentos ou para todos os equipamentos. Utiliza

routers ou pontes para direccionar as mensagens. A informao conduzida sobre 42V

diferenciais. O envio de informao obedece ao modelo OSI que composto por 7 camadas.

O protocolo X-10 envia a mensagem para todos os equipamentos do sistema. S os

equipamentos que tm o endereo que a mensagem especfica que a recebem. Transmite os

dados sobre a prpria rede elctrica. No necessita de equipamentos adicionais para distribuir

as mensagens a no ser os interruptores contidos nos prprios equipamentos. Apresenta um

protocolo de comunicao bastante mais simples e prprio.

Uma rede de autmatos pode comunicar entre si atravs de diversos meios. A transmisso de

dados depende dos mdulos de comunicao presentes nos autmatos da rede. A informao

conduzida atravs dos condutores do meio de comunicao presente na rede, e um autmato

pode enviar ou receber mensagens de um ou de vrios autmatos, dependendo do protocolo

de comunicao ou das mensagens que circulam na rede de autmatos.


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2.2 Protocolos de Comunicao

Os protocolos de comunicao assumem um papel fundamental num sistema de domtica,

uma vez que temos vrios equipamentos que comunicam entre si. Desta forma til o

levantamento bibliogrfico de alguns protocolos de comunicao existentes.

2.2.1 Modelo de referncia OSI

Quando as redes de computadores surgiram, as solues eram, na maioria das vezes,proprietrias, ou seja uma determinada tecnologia s era suportada pelo fabricante. Uma vez

que no havia a possibilidade de misturar solues de fabricantes diferentes, um mesmo

fabricante era responsvel por construir praticamente tudo na rede. Para facilitar a interligao

de sistemas de computadores a ISO (International Standards Organization) desenvolveu um

modelo de referncia chamado OSI (Open Systems Interconnection), para que os fabricantes

pudessem criar protocolos a partir desse modelo.

Na Figura 20 encontra-se representada a estrutura de uma mensagem recebida segundo o

modelo OSI (este com 7 camadas, uma vez que a camada Data Link corresponde camadade ligao de dados e camada fsica) sendo possvel identificar os diversos cabealhos

acrescentados pelas diferentes camadas.


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Figura 20Estrutura da mensagem recebida segundo o modelo OSI.

No que diz respeito camada de aplicao, esta estabelece a interface entre o protocolo de

comunicao e o aplicativo que pediu ou receber a informao atravs da rede.

A camada de Apresentao, tambm chamada camada de Traduo, converte o formato do

dado recebido pela camada de Aplicao num formato comum a ser usado na transmisso

desse dado, ou seja, um formato entendido pelo protocolo usado.

A camada de Sesso permite que duas aplicaes em computadores diferentes estabeleam

uma sesso de comunicao. Nesta sesso, essas aplicaes definem como ser feita a

transmisso de dados e coloca marcaes nos dados que esto sendo transmitidos.

A camada de Transporte responsvel por dividir os dados recebidos da camada de sesso

em pacotes que sero enviados para a camada de rede. No servidor, esta camada

responsvel por receber os pacotes provenientes da camada de rede e agrupa-los num nico

segmento a ser enviado camada de Sesso.

A camada de Rede responsvel pelo endereamento dos pacotes, convertendo endereos

lgicos em endereos fsicos (ou IP), de forma que os pacotes consigam chegar correctamente

ao destino. Esta camada determina tambm a rota que os pacotes iro seguir para atingir o

destino, baseando-se em factores como condies de trfego da rede e prioridades.


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A camada de Ligao de dados responsvel por identificar os equipamentos numa rede com

base nos seus endereos de hardware e, desse modo, controlar o fluxo de dados e organizar

os bits da camada Fsica.

A camada Fsica define as caractersticas tcnicas dos equipamentos elctricos do sistema. Elacontm os equipamentos de comunicao que comunicam directamente com o controlador da

camada de Ligao de dados.

2.2.2 Protocolo de Comunicao RS-232

O protocolo RS- 232 um dos protocolos de comunicao mais antigos e uma das formas de

estabelecer a comunicao entre dois aparelhos, recorrendo a uma ligao fsica atravs de um

cabo com diversos condutores, como representa a Figura 21.Este protocolo define as

funcionalidades caractersticas da camada fsica do modelo OSI.

Figura 21Esquema dos pinos de uma ficha de RS232.

Tabela 2Esquema dos pinos de uma ficha RS232.

Pino Sinal Pino Sinal

1 Detector de dados a enviar 6 Conjunto de dados pronto2 Recepo de dados 7 Pronto para enviar3 Transmisso de dados 8 Envio dos dados4 Terminal de dados pronto 9 Indicador de telefone5 Terra - Comum


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Para que se estabelea a ligao necessria pelo menos a ligao do pino 2 de um aparelho

ao pino 3 do outro e uma ligao entre ambos os pinos 5,permitindo apenas para envio de

dados (comunicao simplex). Existem outros tipos de ligao rs232, half-duplexe full-duplex.

O tipo full-duplexpermite envio e recepo simultneo, enquanto o half-duplexapenas permite

uma operao de cada vez.

No protocolo de comunicao RS-232, os caracteres so enviados um a um como um conjunto

de bits. A codificao mais comum o uso de um startbit, seguido por 7 ou 8 bits de dados,

opcionalmente um bit de paridade e um ou dois stopbits.

2.2.2 Protocolo de comunicao RS 485

O Protocolo de comunicao RS 485 foi criado em 1985 e gerido pela Telecommunication

Industry Association (TIA) que responsvel pelo sector de comunicao da Electronic

Industries Alliance (EIA), sendo este ltimo credenciado pelo American National Standards

Institute(ANSI). Este protocolo tambm corresponde camada fsica do modelo OSI.

O protocolo RS-485 recorre a uma comunicao entre 2 ou 4 condutores. O modo de operao

diferencial porque o nvel lgico determinado pela diferena de tenso entre os 2

condutores. Assim, transmite-se um nvel lgico 1 quando a tenso no condutor A for positiva e

a do condutor B negativa. De igual forma, transmite-se o nvel lgico 0 quando B for positivo e A

negativo. O protocolo RS 485 do tipo half-duplex ou full-duplex. Se a comunicao RS 485

utilizar 2 condutores half-duplex, ou seja ambos podem transmitir e receber dados, mas em

diferentes intervalos de tempo. Se a comunicao utilizar 4 condutores full-duplex, ou seja

podem enviar e receber dados no mesmo intervalo de tempo.

O protocolo RS-485 utiliza a comunicao multiponto e permite conectar at 32 equipamentos,

existindo 1 transmissor e 1 receptor por equipamento.

Uma das vantagens do uso deste protocolo a sua robustez contra rudo de outros e

interferncias externas. Outra das caractersticas importantes deste protocolo a capacidade

de transmisso a longas distncias relativamente a outros protocolos, como por exemplo o RS

232. O protocolo Rs485 suporta distncias at 1200 metros e velocidades de transferncia at


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10Mbps, no entanto quanto maior for a distncia menor ser a taxa de transferncia, como

representado no grfico da Figura 22.

Figura 22Grfico que mostra a variao da taxa de transferncia (bps) em funo do

comprimento do cabo Rs 485[10].

2.2.3 Protocolo de comunicao TCP/IP

A internet tal como a conhecemos nos dias de hoje baseada num conjunto protocolos deinternet criados h bastantes anos atrs com o objectivo de descentralizar as redes existentes

na altura e suprir a necessidade de interoperabilidade entre equipamentos. A arquitectura

Tcp/Ip surgiu com a criao de uma rede patrocinada pelo departamento de defesa do governo

dos USA com o objectivo de manter os rgos do governo e universidades alertados contra

catstrofes que afectassem aquele pas. Desta forma surgiu a ARPANET, uma rede que

permaneceria intacta caso um dos servidores perdesse ligao. A ARPANET necessitava ento

de um modelo de protocolos que assegurasse tal funcionalidade esperada, mostrando-se

confivel, flexvel e de fcil implementao. ento desenvolvida a arquitectura Tcp/Ip. AARPANET cresceu e tornou-se a rede mundial de computadores a Internet. [11]


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2.3.3.1 Fundamentos do protocolo IP

O protocolo IP actua na camada de rede e fornece os servios de endereamento e

empacotamento tais como:

identificao de computadores hostlocais ou remotos;

fragmentao dos pacotes para permitir o seu envio no caso do caminho de

destino da rede utilizar um tamanho diferente do pacote;

eliminao de pacotes antigos (time-to-live);

envio dos pacotes para a camada superior.

Estas aces so reflectidas num cabealho acrescentado a mensagem transmitida pela

camada inferior [11].

2.2.3.2 Fundamentos do protocolo TCP

O TCP um protocolo do nvel da camada de transporte (camada 4) doModelo OSI sendo a

sua principal funo o controlo de fluxo e de erros. As caractersticas fundamentais deste

protocolo so:

full duplex: possvel a transferncia simultnea em ambas direces (cliente-servidor)

durante toda a sesso;

orientado ligao: a aplicao envia um pedido para o destino e utiliza a ligao fsica

para transferir dados;

comunicao Extremo a Extremo: uma ligao TCP estabelecida entre o equipamento

de origem e o equipamento de destino;

fiabilidade : o protocolo TCP permite a recuperao de dados corrompidos, eliminao

de pacotes duplicados, recuperao de pacotes perdidos e pode recuperar a ligao em

caso de problemas no sistema e na rede;

entrega ordenada a aplicao faz a entrega ao TCP de blocos de dados com um

tamanho arbitrrio num fluxo de dados, tipicamente embytes (tambm denominados de

octetos no contexto de rede de computadores e telecomunicaes);

controlo de fluxo - o receptor, medida que recebe os dados, envia mensagens ACK

(=Acknowledgement), confirmando a recepo de um segmento. O transmissor pode
http://wapedia.mobi/pt/Camada_de_transportehttp://wapedia.mobi/pt/Modelo_OSIhttp://wapedia.mobi/pt/Full_duplexhttp://wapedia.mobi/pt/Full_duplexhttp://wapedia.mobi/pt/Octetohttp://wapedia.mobi/pt/Octetohttp://wapedia.mobi/pt/Full_duplexhttp://wapedia.mobi/pt/Modelo_OSIhttp://wapedia.mobi/pt/Camada_de_transporte


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transmitir segmentos com um nmero de bytes permitido. Existe a possibilidade de limitar

o nmero de segmentos que circulam entre receptor e transmissor. O TCP garante que,

no final da conexo, todos os pacotes foram bem recebidos.

O cabealho da mensagem TCP representado na Figura 23:

Figura 23cabealho TCP.

O campo Porta de origem e Porta de destino indicam as portas TCP (16 bits cada)

atravs dos quais vai ser efectuada a transmisso de dados. Por exemplo, a porta 80

utilizada pelos browserse pelos servidores Web.

O campo Numero de Sequncia identifica a posio do segmento no fluxo dedados.Cada transmisso de dados possui um fluxo de dados particular.

O campo Numero de confirmao utilizado para confirmar a recepo de segmentos

enviados anteriormente e especifica o prximo segmento esperado.


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O campo tamanho do cabealho indica o nmero de palavras de 32 bitsdo cabealho

TCP.

O campo tamanho da janela utilizado para o controlo de fluxo . Este campo indica ao

equipamento emissor quantos fragmentos pode enviar at que o receptor confirme a

recepo do primeiro fragmento enviado pelo emissor (Acknowledge number). As

transmisses de acordo com este protocolo so efectuadas em modo confirmado, isto

significa que o receptor tem de confirmar ao emissor o nmero de fragmentos que

recebeu correctamente. Dessa forma, o emissor sabe se necessita de retransmitir algum

fragmento.

O campo checksum utilizado para a verificao de erros. O equipamento emissor

calcula o checksum da mensagem enviada e armazena-o em 16 bits. Esses 16 bitsso

tambm enviados no final da mensagem. O receptor calcula o checksumda mensagem

recebida e compara os 16 bitspor si calculados com os 16 bitsde checksumenviados

pelo emissor. Se os dois nmeros forem iguais a mensagem foi correctamente recebida.

O campo urgent pointer utilizado pelo emissor para indicar onde se encontra algum

dado urgente dentro do segmento.

O campo Opes utilizado para a configurao de opes.

O campo Dados contm os dados que de facto se pretendem transmitir.

O campo URG indica que o campo Urgent Pointer vlido.

O campo ACK indica que o campoAcknowledge number vlido.

O campo PSH utilizado para indicar ao receptor quando entregar os dados

aplicao imediatamente, sem esperar que o bufferfique completo.


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O campo RST utilizado para reiniciar uma transmisso de dados. Este campo

tambm utilizado para rejeitar uma tentativa de conexo ou rejeitar um segmento

invlido.

O campo SYN utilizado para estabelecer a conexo.

O campo FIN utilizado para encerrar a transmisso de dados, dizendo que o

transmissor no tem mais dados a enviar [11].

2.2.4 Protocolo de comunicao Modbus

O Modbus um protocolo de comunicao de dados criado na dcada de 1970 pela Modicon, e

bastante utilizado em sistemas de automao industrial, principalmente em redes de

controladores lgicos programveis (PLC), para a aquisio de sinais de instrumentos e

comandar actuadores.

O protocolo Modbus pode ser descrito como um protocolo actuando segundo um sistema

mestre-escravo. Neste sistema existe um n mestre que envia comandos para o escravo e

processa a sua resposta. Os escravos no transmitem dados sem existir uma requisio do n

mestre e nem comunicam com outros escravos. O n mestre inicia somente uma transaco

Modbus de cada vez, podendo estar enlaados a cada n mestre 247 escravos.

Os sistemas Modbus podem usar diferentes interfaces fsicas, nomeadamente o RS232 ou o

RS485. A interface RS485 de 2 fios actualmente a mais utilizada, sendo possvel recorrer

interface RS 232 para a comunicao entre 2 pontos prximos.

O n mestre pode emitir para um n escravo uma requisio em dois modos distintos, o modo

Unicast e o modo Broadcast. O modo Unicast (Figura 24) caracterizado pelo n mestre

enderear somente um escravo que depois de receber e processar a requisio, envia uma

mensagem de resposta para o mestre. Neste modo, uma transaco de Modbus constitudo

por duas mensagens: uma requisio do mestre e uma resposta do escravo. Cada escravo

dever ter um endereo nico (entre 1 e 247) de forma a poder ser endereado de forma

independente dos outros.


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Figura 24- N mestre a emitir em modo unicast.

Por outro lado o modo Broadcast(Figura 25) caracterizado pelo facto do n mestre poder

enviar uma mensagem para todos os ns escravos. Neste modo os escravos no respondem

uma vez que as requisies de Broadcast so necessariamente mensagens de escrita. O

endereo 0 reservado para identificar uma mensagem de Broadcast.

Figura 25 - Ilustraao do n mestre a emitir em modo Broadcast.


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O espao de endereamento do Modbus compreende 256 caracteres diferentes. O endereo 0

reservado para a emisso em modo broadcast, e todos os escravos o devem reconhecer

como tal. O elemento mestre Modbus no tem endereo especfico e somente os ns escravos

devem ter um endereo. Os endereos devem ser nicos em cada barramento de Modbus.

2.2.4.1 Estrutura de Mensagens

A unidade de dados do protocolo Modbus constituda por um campo para o codigo da funo,

um campo de dados, um campo para o endereo e um campo de verificaao de erros (Figura

26).

Figura 26- Estrutura de uma mensagem no Modbus.

Numa comunicaao Modbus o campo de endereo contm o endereo de um determinado

escravo. Um mestre enderea um escravo colocando o endereo do mesmo neste campo.

Quando o escravo retorna a resposta, ele coloca o seu prprio endereo no campo deendereamento.

O cdigo da funo indica ao servidor que tipo de aco deve ser executada. Este campo

seguido do campo de dados, onde seguem os parmetros de requisio e da resposta.

O campo de verificao de erro resultado da verificao da redundncia que adicionada

mensagem. Existem dois mtodos de definio do campo de verificao de erros: RTU e ASCII,

cuja a aplicao depende do modo de transmisso utilizada.


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2.2.4.2 Meios de Transmisso

As redes Modbus suportadas pelos protocolos de transmisso em RS232 ou RS485 podem

apresentar duas variaes na forma de transmisso, o modo RTU e o modo ASCII. O modo detransmissao deve ser comum a todos os elementos ligados mesma rede Modbus.

No modo RTU os dados so transmitidos no formato binrio de 8 bits, o que torna simples a

compactao dos dados em pequenos pacotes. No modo RTU os endereos e os valores

podem ser representados em binrio. No modo ASCII os dados transmitidos so codificados

em caracteres ASCII de 7 bits. Apesar de gerarem mensagens facilmente legveis, este modo

consome mais recursos de rede.

2.2.5 Protocolo de Comunicao ZIGBEE

O protocolo de comunicao Zigbee uma tecnologia recente, uma vez que a sua primeira

verso foi apresentada ao pblico em Julho de 2005, e surgiu no mercado quando no existia

nenhuma norma de redes sem fios globalmente aceite no mbito de sensores e equipamentos

de controlo. Contrapondo-se aos elevados dbitos oferecidos por outras tecnologias (como o

Bluetooth ou o WiFi), o ZigBee pretende associar a transmisso de dados sem fios a um

reduzido consumo energtico e uma elevada fiabilidade.

A tecnologia Zigbee tem um vasto potencial de aplicao, desde o controlo industrial

automao de residncias (domtica). O protocolo ZigBee possui ento determinadas

caractersticas que o tornam absolutamente diferente dos restantes protocolos. Assim, as suas

principais caractersticas so:

reduzido consumo de potncia;

elevada fiabilidade;

elevada segurana, com recurso a 128 bits de encriptao;

possibilidade coordenar uma elevada densidade de ns por rede (num mximo de

65535 equipamentos por cada coordenador ZigBee, valor manifestamente superior aos 8

do Bluetooth ou 30 do Wi-Fi);


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admite diferentes topologias da rede: estrela (star), malha (mesh) ou rvore (cluster

tree), permitindo o estabelecimento de redes de ns ad-hoc.

Para alm das caractersticas enumeradas anteriormente, este protocolo apresenta um tempo

de ligao rede menor que os outros protocolos e apresenta maior rapidez na passagem do

modo desligado a activo. Apresenta dois estados de operao: active (activo), aquando do

envio ou recepo de dados, e sleep (inactivo), a aplicao no ter de se preocupar em

seleccionar o modo mais adequado.

O protocolo Zigbee permite dois modos de operao da rede: beaconing e non-beaconing. No

modo beaconing, os ns ZigBee Routers transmitem periodicamente sinalizao (beacons) a

confirmar a sua presena aos outros ns da rede; os restantes ns s necessitam de estar

activos no momento da sinalizao. No modo non-beaconing os equipamentos mantm os seus

receptores permanentemente activos, existindo um consumo energtico superior.

A principal limitao deste protocolo para a aplicao na domtica reside no facto de, apesar de

o protocolo estar implementado h cerca de 2 anos, ainda no se encontra consolidado no

mercado. De facto, o hardware disponvel no mercado ainda se encontra em fase de

desenvolvimento e os prprios fornecedores destes equipamentos no esto devidamente

informados sobre as caractersticas e detalhes do equipamento que vendem. Tais factores

fazem com que esta tecnologia esteja ainda numa fase muito embrionria, tendo, no entanto,pelas suas caractersticas um enorme potencial a mdio prazo.


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3 Arquitectura Proposta

A arquitectura proposta tem como principal objectivo permitir ao utilizador uma grande

flexibilidade no sistema de domtica presente na sua habitao. Existem diversas solues no

mercado bastante eficientes e bem implementadas. No entanto, alm das limitaes inerentes

desses sistemas, so sistemas dispendiosos, e principalmente, apresentam uma flexibilidade

muito limitada, ou seja no permitem que depois de implementados se possam adaptar-se s

necessidades futuras da habitao.

A flexibilidade num sistema de domtica faz todo o sentido na sociedade actual, uma vez que

as tendncias tecnolgicas e sociais justificam a implementao de uma arquitectura flexvel.As tendncias actuais na rea da tecnologia esto relacionadas com a existncia de uma maior

oferta na rea das telecomunicaes, um maior aumento da penetrao da banda larga, que

implica o acesso cada vez mais facilitado em termos econmicos a essas tecnologias.

Socialmente as tendncias esto relacionadas com o envelhecimento da populao, com o

aumento das famlias unipessoais, com a deslocao de populao, com o desaparecimento de

famlias numerosas, com a maternidade tardia, entre outros factores que indicam que as

A arquitectura que se prope neste trabalho prev a utilizao de um autmato, ou uma rede de

autmatos, a utilizao de um computador pessoal (PC) e a integrao deste sistema com

outros dois sistemas de domtica, o sistema de domtica X10 e o sistema de domtica Qbus. A

Figura 27 representa de forma esquemtica a arquitectura proposta.


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Figura 27 - Representao esquemtica da arquitectura proposta.

Na arquitectura proposta os autmatos devem ter a capacidade de controlar sistemas

funcionais, como o controlo dos electrodomsticos, da iluminao e dos estores, e deve ser

capaz de monitorizar e controlar detectores de incndio e intruso, detectores de fugas de gua

e gs.

O PC surge

automação em ambientes residenciais

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