comunicac˘a~o de dados atraves da rede eletricafetter/plc/relfin.pdf6/2002 do programa de p&d...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SULESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRICA

WALTER FETTER LAGES

COMUNICACAO DE DADOS

ATRAVES DA REDE ELETRICA

Porto Alegre2007

WALTER FETTER LAGES

COMUNICACAO DE DADOS

ATRAVES DA REDE ELETRICA

Relatorio de PesquisaRelatorio FinalFinanciamento: Contrato CEEE/2003 no 9920525

Porto Alegre2007

AGRADECIMENTOS

Ao Engo Ricardo Augusto Pufal, Diretor da Divisao de Teleinformatica da Pro-Reitoria de Infraestrutura da Universidade Federal do Rio Grande do Sul pelo em-prestimo dos quadros de medicao de energia eletrica utilizados nos testes.

A Elizabeth Viehmann da Paulo Viehmann Representacoes e a Vacuumschmelzepela doacao das amostras de transformadores utilizados na implementacao dos pro-totipos.

A Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS)por conceder uma bolsa de iniciacao cientıfica, a qual possibilitou a manutencaodas atividades do projeto mesmo durante os perıodos de atraso nos pagamentos,causados pela burocracia para transferencia dos recursos da CEEE para a UFRGSe para a FAURGS.

RESUMO

Este relatorio descreve as atividades realizadas no desenvolvimento do projeto no

6/2002 do programa de P&D da CEEE — Comunicacao de Dados Atraves da RedeEletrica — desenvolvido atraves do Contrato CEEE/2003 no 9920525, cujo objetivoe desenvolver um sistema de telemedicao energia eletrica atraves de comunicacaopor Power Line Carrier (PLC).

Foram avaliadas as conexoes do sistema atraves do protocolo NBR–14522, atra-ves de conexao serial RS–232 com protocolo MODBUS, atraves de rede Ethernetutilizando os protocolos TCP e MODBUS e atraves de Power Line Carrier (PLC).

O trabalho tambem aborda o desenvolvimento de um modem PLC, apresentandoas caracterısticas do hardware desenvolvido, incluindo a parte digital e analogica domodem. O software deste modem e implementado no sistema operacional Linux,com o desenvolvimento de um driver TTY que implementa um controle de acessoao meio utilizado CSMA p-persistente, a comunicacao utilizando o protocolo HDLCe uma API utilizando o protocolo KISS.

A utilizacao do protocolo KISS para comunicacao com o driver TTY possibi-lita o uso das ferramentas desenvolvidas para o protocolo AX.25 implementado nokernel do Linux e sobre o qual se pode transportar pacotes IP, consequentementesuportando todo o stack de protocolos utilizados na Internet.

Assim, a interface com o usuario e uma pagina web atraves da qual pode-se obteras leituras dos medidores.

Palavras-chave: Medidores de energia eletrica, telemedicao, NBR–14522,MODBUS, PLC, Linux, drivers TTY.

ABSTRACT

This report describes the activities developed in the scope of the project nr.6/2002 of the CEEE R&D program — Data Communication over Electrical Net-works — developed under the grant CEEE/2003 nr. 9920525. The objective is thedevelopment of a telemetry system with communications over Power Line Carrier(PLC).

Four types of connections were analysed: NBR-14522 protocol, serial RS–232connection using the MODBUS protocol and Ethernet networks using TCP andMODBUS protocols and Power Line Carrier (PLC).

The development of a PLC modem is also presented, describing the hardware,including digital and analogical components. The software is implemented under theLinux operating system with the development of TTY driver HDLC implementingthe CSMA p-persistent medium access method, the HDLC communication and anAPI based on the KISS protocol.

The KISS based API makes it possible to use the tools developed for the AX.25protocol which is implemented in the Linux kernel and and can carry IP frames andhence supports the whole stack of Internet protocols.

The user interface is a web page where the readings from the electric meters canbe obtainded.

Keywords: Electric power meter, telemetry, NBR–14522, MODBUS,PLC, Linux, drivers TTY.

LISTA DE ILUSTRACOES

Figura 2.1: Modulacao de onda contınua em amplitude.(a) Onda portadora.(b) Sinal a ser transmitido. (c) Sinal modulado em amplitude. . . 24

Figura 2.2: Modulacao de onda contınua em frequencia.(a) Onda portadora.(b) Sinal a ser transmitido. (c) Sinal modulado em frequencia. . . 25

Figura 2.3: Modulacao por pulso em amplitude. . . . . . . . . . . . . . . . . 25Figura 2.4: Exemplos de modulacao por pulsos digital. . . . . . . . . . . . . . 26Figura 2.5: Densidade espectral de um sinal em banda base e um sinal espa-

lhado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Figura 2.6: Divisao de canais segundo FDM e OFDM. . . . . . . . . . . . . . 28Figura 2.7: Modem X-10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Figura 2.8: Interconexoes no projeto PLC da Iguacu Energia. . . . . . . . . . 33Figura 2.9: Conexoes de equipamentos do projeto PLC nas residencias. . . . . 34Figura 2.10: Configuracao tıpica do projeto da CEMIG. . . . . . . . . . . . . . 34Figura 2.11: Ligacao de um cable modem a um Master PLC. . . . . . . . . . . 35Figura 2.12: Infraestrutura de comunicacao do projeto REMPLI. . . . . . . . . 36Figura 2.13: Rede Ethernet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Figura 2.14: Rede usando a linha telefonica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Figura 2.15: Rede usando a rede de energia eletrica. . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 2.16: Areas de aplicacao de comunicacao PLC. . . . . . . . . . . . . . . 40Figura 2.17: Last inch access, ou acesso dentro das residencias. . . . . . . . . . 41

Figura 3.1: Foto do prototipo do modem PLC. . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Figura 3.2: Diagrama de blocos do ST7538. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Figura 3.3: Modulacao FSK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Figura 4.1: Divisao do kernel do Linux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figura 4.2: Adicionando um Driver no Kernel. . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Figura 4.3: Documentacao automatica gerada pelo Doxygen. . . . . . . . . . 61Figura 4.4: Fluxograma da leitura e escrita de dados no ST7538. . . . . . . . 63Figura 4.5: Sequencia de escrita no registrador interno do ST7538. . . . . . . 63Figura 4.6: Fluxograma do software de leitura e escrita de dados no ST7538. 64Figura 4.7: Leitura do registrador interno do ST7538 realizada pelo driver. . . 64Figura 4.8: Fluxograma do software de leitura e escrita de dados no ST7538. 65Figura 4.9: Envio de dados para o ST7538. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Figura 4.10: Estrutura do Frame HDLC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Figura 4.11: Envio da sequencia de flags para o ST7538. . . . . . . . . . . . . 67Figura 4.12: Envio da sequencia de flags para o ST7538 (zoom). . . . . . . . . 68Figura 4.13: Configuracao do arquivo /etc/ax25/axports. . . . . . . . . . . . 71

Figura 4.14: Utilizando o kissattach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Figura 4.15: Display do ifconfig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Figura 4.16: Modem Funcionando. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Figura 4.17: Transmissao de dados para o modem PLC. . . . . . . . . . . . . . 73Figura 4.18: Recepcao de dados pelo o modem PLC. . . . . . . . . . . . . . . 74Figura 4.19: Funcionamento da comunicacao do ponto de vista do leitor. . . . 76Figura 4.20: Funcionamento da comunicacao do ponto de vista do medidor. . . 77Figura 4.21: Diagrama de classes da implementacao do protocolo NBR-14522. 78

Figura 5.1: Medidor Nansen Spectrun FX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Figura 5.2: Registrador de pulsos Analo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Figura 5.3: Tomada e plug do acomplamento optico. . . . . . . . . . . . . . . 82Figura 5.4: Bridge CTCU ET10A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Figura 5.5: Conexao de segmentos Ethernet atraves da bridge ET10A. . . . . 84Figura 5.6: Conversor Moxa DE–211. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Figura 5.7: Diagrama de classes para a classe MODBUS. . . . . . . . . . . . . . 86Figura 5.8: Diagrama de classes para a classe MODBUS::ERROR. . . . . . . . . 87

Figura 6.1: Interface web. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90Figura 6.2: Leitura do medidor obtida via PLC. . . . . . . . . . . . . . . . . 91

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1: Ligacao do registrador de controle. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Tabela 3.2: Ligacao dos pinos de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Tabela 3.3: Ligacao dos pinos de saıda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Tabela 3.4: Ligacao nos multiplexadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Tabela 3.5: Estado dos pinos do ST7538 ao ser energizado . . . . . . . . . . . 50Tabela 3.5: Estado dos pinos do ST7538 ao ser energizado (Continuacao) . . . 51Tabela 3.5: Estado dos pinos do ST7538 ao ser energizado (Continuacao) . . . 52Tabela 3.5: Estado dos pinos do ST7538 ao ser energizado (Continuacao) . . . 53Tabela 3.5: Estado dos pinos do ST7538 ao ser energizado (Continuacao) . . . 54Tabela 3.6: Ligacao dos pinos de saıda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Tabela 4.1: Tipo de frame do protocolo KISS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

LISTA DE ABREVIATURAS

ABNT Associacao Brasileira de Normas Tecnicas

ACSK Adaptive Code Shift Keying

API Application Program Interface

ASK Amplitude-Shift Keying

CAL Common Application Language

CDM Code-Division Multiplexing

CEBus Consumer Electronic Bus

CEEE Companhia Estadual de Energia Eletrica

CEMIG Companhia Energetica de Minas Gerais

CGI Common Gateway Interface

CRC Cyclic Redundancy Check

CSMA Carrier Sense Multiple Access

CDCR Collision Detection and Resolution

DCE Data Communication Equipment

DSB-SC Double Sideband-Suppressed Carrier

DSMA Datagram Sensing Multiple Access

DS-SS Direct Sequence Spread Spectrum

DTE Data Terminal Equipment

EIA Eletronic Industries Alliance

EXT2 Second Extended File System

EXT3 Third Extended File System

FAPERGS Fundacao de Apoio a Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul

FAT File Allocation Table

FAURGS Fundacao de Apoio da Universidade Federal do Rio Grande do Sul

FDM Frequency-Division Multiplexing

FEND Frame End

FESC Frame Escape

FH-SS Frequency Hoping Spread Spectrum

FM Frequency Modulation

FR Frame Relay

FSK Frequency-shift keying

GPL General Public License

HD Hard Disk

HDLC High Level Data Link Control

HTML Hyper-Text Markup Language

HTTP Hyper-Text Transfer Protocol

IA32 Intel Architecture, 32-bits

IP Internet Protocol

ISI Inter Symbol Interference

JFFS2 The Journalling Flash File System, version 2

KISS Keep it Simple Stupid

LASCAR Laboratorio de Sistemas de Controle, Automacao e Robotica

LON Local Operating Network

MAC Media Access Control

NTFS New Technology File System

OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing

OSI Open Systems Interconection

PCB Printed Circuit Board

PDF Portable Document Format

P&D Pesquisa e Desenvolvimento

PLC Power Line Communication

PLIP Parallel Line Internet Protocol

PM Phase Modulation

PPP Point-to-Point Protocol

PSK Phase-Shift Keying

REMPLI Real-time Energy Management via Powerlines and Internet

RTF Rich Text Format

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

SLIP Serial Line Internet Protocol

SNMP Simple Network Management Protocol

SSB Single Sideband

TCP Transmission Control Protocol

TDM Time-Division Multiplexing

TEND Transposed Frame End

TFESC Transposed Frame Escape

TTY Teletype

UDP User Datagram Protocol

UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul

USB Universal Serial Bus

VSB Vestigial Sideband

WWW World-Wide-Web

xDSL Digital Subscriber Line

SUMARIO

1 INTRODUCAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2 TECNOLOGIA PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1 Introducao a Tecnologia PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2 Conceitos Basicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.1 Modulacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.2 Multiplexacao do sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3 Caracterısticas da Tecnologia PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3.1 Regulamentacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.4 Tecnologias atuais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.4.1 X-10 PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.4.2 Intellon CEBus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4.3 Echelon LonWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.4.4 Adaptive Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.4.5 PLUG-IN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.5 Projetos de Implantacao de PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.5.1 Projetos com PLC no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.5.2 Projetos com PLC no exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.6 Problemas da Tecnologia PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.6.1 Vantagens da Tecnologia PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.7 Tipos de Redes PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.7.1 Last Mile Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.7.2 Last Inch Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3 HARDWARE DO MODEM PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.1 Parte Analogica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.1.1 ST7538-PowerLine FSK Transceiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.1.2 Componentes Analogicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.2 Parte Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2.1 Interface com a Porta Paralela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3 Teste Estatico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.3.1 Condicoes Iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.3.2 Estado dos Pinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.4 Alteracao no Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4 SOFTWARE DO MODEM PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.1 Plataforma de Desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.1.1 Sistemas Operacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.1.2 Programando no Kernel do Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.2 Especificacoes de Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.3 Software para Teste do Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.4 Software de Driver e Controle de Acesso ao Meio Fısico . . . . 624.4.1 Acesso ao Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.4.2 Protocolos de Enlace e Acesso ao Meio Fısico . . . . . . . . . . . . . . 664.4.3 Driver TTY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.5 Software para Operacao em Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.6 Protocolo de Comunicacao Leitor-Medidor . . . . . . . . . . . . . 724.6.1 Caracterısticas da Comunicacao Convencional Leitor-Medidor . . . . 744.6.2 Funcionamento do Protocolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.6.3 Implementacao do Protocolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.6.4 Conclusao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5 QUADRO DE MEDICAO NO DELET/UFRGS . . . . . . . . . . . . . 795.1 Medidor Nansen Spectrum FX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.2 Registrador de Pulsos Analo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.2.1 Conexao ao Medidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.2.2 Conexao Serial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.3 Bridge CTCU ET10A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.4 Conversor Moxa DE–211 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.5 Comunicacao por MODBUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.6 Conclusoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6 ACESSO AOS MEDIDORES VIA WEB . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

7 CONCLUSOES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937.1 Desdobramentos do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937.1.1 Projeto CEEE/UFRGS — Restinga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947.1.2 CEEE/UFRGS — Backbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

APENDICE A UTILIZACAO DO CD-ROM . . . . . . . . . . . . . . . . 99

APENDICE B DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DO MODEM PLC . . . 101

APENDICE C ARTE FINAL DO PCB DO MODEM PLC . . . . . . . . 105

APENDICE D DIAGRAMA ESQUEMATICO DO CABO DE CONE-XAO SERIAL DO MEDIDOR ANALO . . . . . . . . . . 111

APENDICE E DIAGRAMA ESQUEMATICO DO ADAPTADOR PARACABO DE CONEXAO SERIAL DO MEDIDOR ANALO 115

APENDICE F DIAGRAMA ESQUEMATICO DO CABO NULL-MODEMCOM DB9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

APENDICE G DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DOS CABOS DE CO-NEXAO SERIAL DO MEDIDOR ANALO COM UM DTE 123

APENDICE H DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DOS CABOS DE CO-NEXAO SERIAL DO MEDIDOR ANALO COM UM DCE 129

21

1 INTRODUCAO

A ideia de se transmitir sinais por linhas de potencia remonta aos anos trinta [15,18]. Entretanto, nunca foi considerado um meio de comunicacao viavel devido abaixa velocidade, baixa funcionalidade e alto custo de desenvolvimento.

Ha aproximadamente trinta anos, foi inventado um dispositivo capaz de modulare injetar na rede eletrica os sons captados por um microfone, sendo este sinal recu-perado em outro local e convertido novamente em som. Este sistema ficou conhecidopor Baba Eletronica, pois ligando um dispositivo no quarto de uma crianca e o outrono quarto de seus pais permitia a monitoracao da crianca em questao.

Assim como a Baba Eletronica, muitos equipamentos sao capazes de injetar sinaisna rede eletrica. Esses sinais nem controlados nem uniformes acabam interferindoem outros equipamentos proximos a fonte geradora. O controle da transmissaodos sinais, desde suas frequencias ate os nıveis de propagacao, so foi possıvel como avanco das tecnicas de modulacao e multiplexacao, permitindo transmitir sinaisdiferentes sobre um mesmo meio fısico. Pode-se pensar, entao, em transmitir da-dos e informacoes utilizando os cabos da rede eletrica: Powerline Communication(tambem conhecido por tecnologia PLC).

Nesse trabalho, quando se falar em comunicacao pela rede eletrica (PowerlineCommunication) deve-se ter em mente a transmissao controlada e inteligente deinformacao pela rede de energia.

Do ponto de vista economico, a tecnologia PLC apresenta uma grande vantagemcom relacao a outras tecnologias para transmissao de dados: a existencia e utilizacaode infraestrutura basica para a comunicacao. Ja do ponto de vista social, a tecnologiapode representar a democratizacao dos meios de transmissao de informacao.

Apesar do crescimento no seu uso, a tecnologia PLC ainda nao apresenta umaregulamentacao universal. Alguns paıses ja possuem algum tipo de regulamentacaosobre utilizacao de banda de frequencia e radiacao eletromagnetica proveniente dacomunicacao PLC, enquanto outros, nao chegaram a um acordo sobre seus benefıciose malefıcios. O Brasil se enquadra neste ultimo perfil. Poucos sao os trabalhos eestudos realizados por aqui. Algumas empresas de geracao e distribuicao de energiaeletrica iniciaram pesquisas sobre a viabilidade da utilizacao dessa nova tecnologiapara servicos de telemetria e ate mesmo Internet com acesso banda larga.

A tecnologia PowerLine Communication PLC permite transmitir dados e infor-macoes utilizando os cabos da rede eletrica como meio fısico. Possuindo assim comoprincipal vantagem sobre as outras tecnologias de transmissao o fato da utilizacaode uma infra-estrutura fısica ja existente, pois em praticamente todos os lugaresha uma rede eletrica instalada. Isso a torna uma solucao pratica para as seguintesnecessidades:

22

1. automacao residencial, pois, como por necessidade, quase todo o equipamentoja esta ligado a rede eletrica.

2. telemetria.

3. Internet banda larga.

Este projeto de P&D tem como objetivo e desenvolver um sistema de telemedicaode energia eletrica baseado na tecnologia PLC. Para tanto foi feita inicialmenteuma analise do estado da arte incluindo um estudo sobre produtos que oferecemcomunicacao pela rede eletrica (modems PLC), para posterior implementacao deum modem adequado a um sistema de telemedicao de energia eletrica. Ainda comoum subproduto deste projeto, foram realizados experimentos que possibilitem umaanalise de desempenho da comunicacao PLC e tambem uma avaliacao da influenciada distancia da comunicacao e do ruıdo presente na rede eletrica utilizada, cujosresultados podem ser verificados em [33].

23

2 TECNOLOGIA PLC

Este capıtulo tem por objetivo apresentar aspectos basicos da tecnologia PLC.

2.1 Introducao a Tecnologia PLC

Neste capıtulo serao expostos conceitos basicos de modulacao e multiplexacaode sinais, fundamentos para a transmissao de dados pela rede eletrica. Tambemsera feita uma avaliacao do estado da arte das tecnologias PLC e por ultimo seraoapresentados projetos implementados com esta tecnologia.

2.2 Conceitos Basicos

Nessa secao serao abordados aspectos relativos a fundamentos de comunicacaode dados que formam a base da tecnologia PLC. Serao discutidos conceitos de mo-dulacao e multiplexacao.

2.2.1 Modulacao

Conforme mencionado anteriormente, o desenvolvimento da tecnologia PLC sofoi possıvel com o avanco das tecnicas de modulacao, isto porque a modulacao con-siste no processo de transformar um sinal em uma forma adequada para transmissaoatraves de um determinado meio fısico (canal) [13].

No processo de modulacao que ocorre no transmissor, algum parametro da ondaportadora e modificado de acordo com a mensagem a ser enviada pelo canal detransmissao. O receptor recria a mensagem original a partir do sinal recebido atravesdo canal (processo de demodulacao). Entretanto, a presenca de ruıdo e a distorcao nosinal recebido impossibilitam a recriacao exata da mensagem original. A degradacaodo sinal no sistema como um todo e influenciada pelo tipo de modulacao usado, sendoalgumas tecnicas mais sensıveis a ruıdos e distorcoes que outras.

A modulacao pode ser classificada em: modulacao de onda contınua e modulacaopor pulsos.

2.2.1.1 Modulacao de onda contınua

A modulacao de onda contınua e a forma analogica de modulacao, que usa umaonda portadora senoidal para transmitir informacao. Existem duas famılias de sis-temas de modulacao de onda contınua: modulacao por amplitude e modulacao porangulo.

Modulacao de onda contınua por amplitude Nesse tipo de modulacao a am-

24

plitude da onda portadora e variada de acordo com o sinal a ser transmitido.A Figura 2.1 mostra um sinal a ser transmitido e o seu equivalente apos amodulacao em amplitude.

Figura 2.1: Modulacao de onda contınua em amplitude.(a) Onda portadora. (b)Sinal a ser transmitido. (c) Sinal modulado em amplitude.

A vantagem da modulacao em amplitude e a sua simplicidade. Entretanto,suas desvantagens sao:

• Desperdıcio de potencia: a onda portadora usada e independente da in-formacao e e transmitida junto com o sinal gastando mais potencia;

• Desperdıcio de banda: as bandas laterais superior e inferior do espectro daonda modulada sao simetricas em relacao a frequencia da onda portadora.

Essas desvantagens podem ser superadas utilizando formas lineares de mo-dulacao em amplitude (Double Sideband-Suppressed Carrier DSB-SC, SingleSideband SSB, Vestigial Sideband VSB), mas que acarretam uma complexi-dade maior ao sistema. Essas modulacoes nao serao vistas nesse trabalho, poisfogem do escopo do mesmo. Detalhes podem ser encontrados em [13].

Modulacao de onda contınua por angulo Nesse tipo de modulacao o anguloda onda portadora e variado de acordo com o sinal a ser transmitido. Os doismetodos mais comuns desse tipo de modulacao sao: modulacao em fase (PhaseModulation PM) e modulacao em frequencia (Frequency Modulation FM).

A modulacao em fase consiste em variar linearmente o angulo do sinal mo-dulado, enquanto a modulacao em frequencia varia, conforme o nome diz, afrequencia do sinal modulado. Um sinal FM pode ser obtido de um sinal PMe vice-versa. Portanto, todas as propriedades de um sinal FM podem ser de-duzidas das propriedades de um sinal PM. A Figura 2.2 mostra o resultado deuma modulacao em frequencia.

Uma consequencia de se fazer o angulo dependente da mensagem a ser transmi-tida e que o cruzamento em zero do sinal PM ou FM perde a sua regularidadeno espacamento. O cruzamento em zero e o instante de tempo em que a ondamuda do positivo para o negativo e vice-versa. Esta caracterıstica distingueas modulacoes por amplitude das modulacoes por angulo. Outra diferenca eque o envelope (forma de onda) do sinal PM ou FM e constante e igual aamplitude da onda portadora, enquanto o envelope do sinal AM e dependenteda mensagem a ser transmitida.

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Figura 2.2: Modulacao de onda contınua em frequencia.(a) Onda portadora. (b)Sinal a ser transmitido. (c) Sinal modulado em frequencia.

2.2.1.2 Modulacao por pulsos

A modulacao por pulsos e forma digital de modulacao. Aqui, ao contrario deuma onda senoidal, um trem de pulsos e usado para transmitir informacao. A basedesta modulacao e o processo de amostragem.

O processo de amostragem consiste em amostrar-se um sinal analogico em de-terminados instantes de tempo gerando uma sequencia de amostras, normalmenteuniformemente espacadas no tempo. E necessario que se escolha adequadamente ataxa de amostragem de forma que a sequencia de pulsos gerada defina unicamenteo sinal analogico original. O Teorema de Nyquist estabelece que essa taxa deve sermaior do que o dobro da frequencia do sinal a ser amostrado para que se possarecuperar o sinal original a partir de suas amostras.

Entretanto, para sinais que nao possuem banda limitada, pode haver sobrepo-sicoes de componentes de alta frequencia sobre os de baixa frequencia (aliasing),tornando necessario o uso de filtros no processo de amostragem (os chamados filtrosanti-aliasing).

Pode-se distinguir duas famılias de modulacao por pulsos: analogica e digital.

Modulacao por pulsos analogica Esse tipo de modulacao utiliza um trem depulsos periodico como onda portadora e varia-se alguma propriedade de cadapulso de acordo com o valor amostrado correspondente do sinal da mensagem.As variacoes nos pulsos podem ocorrer na amplitude (Figura 2.3), na duracao ena posicao. A informacao e transmitida de forma analogica, mas em instantesde tempo discretos.

Figura 2.3: Modulacao por pulso em amplitude.

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Modulacao por pulsos digital Nesse tipo de modulacao, a mensagem e repre-sentada de tal forma que e discreta tanto na amplitude quanto no tempo,permitindo, entao, a sua transmissao de forma digital como uma sequenciade pulsos de codigo. Codigo e uma representacao discreta de um conjunto devalores discretos. Cada valor dentro de um codigo e chamado sımbolo. Emum codigo binario, por exemplo, cada sımbolo pode ter um de dois valores:ausencia ou presenca de pulso.

Existem diversos tipos de modulacao por pulsos digital: unipolar sem retornoa zero (NRZ), polar sem retorno a zero (NRZ), unipolar com retorno a zero(RZ), bipolar com retorno a zero (BRZ) e Codigo Manchester. A Figura 2.4mostra alguns exemplos desses tipos de modulacao. Maiores detalhes podemser encontrados em [13].

Figura 2.4: Exemplos de modulacao por pulsos digital.

2.2.2 Multiplexacao do sinal

O uso da modulacao poe em foco outro importante requisito da transmissao deinformacao: a multiplexacao. Multiplexacao e o processo de combinar varios sinaispara a transmissao simultanea sobre o mesmo canal. Dentre os metodos basicos demultiplexacao pode-se citar:

Frequency-Division Multiplexing (FDM): usa modulacao por onda contınuapara colocar cada sinal em uma frequencia especıfica da banda. No receptorsao usados varios filtros para separar os diferentes sinais e prepara-los parademodulacao.

Time-Division Multiplexing (TDM): usa modulacao por pulsos para posicio-nar os sinais em diferentes fatias de tempo.

Code-Division Multiplexing (CDM): no qual cada sinal e identificado por umasequencia (codigo) diferente.

Essas tecnicas de modulacao sao base para outras mais robustas utilizadas nacomunicacao pela rede eletrica: a spread spectrum (espalhamento espectral) e aOFDM.

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2.2.2.1 Spread Spectrum

Esta tecnica de modulacao e caracterizada pela habilidade de rejeitar interferen-cias na transmissao de informacao. Segundo [13], uma modulacao spread spectrumsatisfaz duas definicoes:

• e uma forma de transmissao na qual a informacao ocupa uma banda maiorque a banda mınima para transmiti-la

• o espalhamento do espectro e realizado antes da transmissao atraves do usode um codigo independente da informacao.

O mesmo codigo e usado pelo receptor para recuperar a informacao original. Estamodulacao sacrifica a eficiencia em termos de banda e potencia em prol da segurancanas transmissoes em ambientes hostis. Quando o sinal e espalhado no espectro depotencia, ele fica com a aparencia de um sinal de ruıdo, podendo ser transmitidopelo canal sem ser detectado por quem possa estar monitorando a comunicacao. AFigura 2.5 mostra como fica o espectro de potencia para um sinal espalhado e umsinal de banda base.

Figura 2.5: Densidade espectral de um sinal em banda base e um sinal espalhado.

As vantagens desse tipo de modulacao sao:

• Baixa densidade espectral de potencia

• Rejeicao a interferencias

• Privacidade: o codigo usado para o espalhamento tem baixa ou nenhuma cor-relacao com o sinal e e unico para cada usuario, sendo impossıvel separar dosinal a informacao que esta sendo transmitida sem o conhecimento do codigoutilizado.

Quanto aos tipos de sistemas spread spectrum, pode-se citar:

FH-SS (Frequency Hoping Spread Spectrum): A banda total do canal de trans-missao e dividida em diversos sub-canais de banda estreita e o sistema comutarapidamente entre eles segundo uma sequencia aleatoria, conhecida, tanto pelotransmissor como pelo receptor.

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DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrum): Utiliza um canal de banda larga(>1Mhz) onde todos transmitem a uma alta taxa de chips (sımbolos binarios)segundo uma sequencia que segue um codigo aleatorio predefinido (pseudoruıdo). Este pseudo ruıdo e um sinal binario produzido a uma frequenciamuito maior que o dado a ser transmitido, espalhando o sinal no domıniofrequencia. Na recepcao o sinal e filtrado segundo a mesma sequencia.

Sistema hıbrido DS/FH: A banda e dividida em sub-canais e em cada um de-les um pseudo ruıdo e multiplicado com o sinal de dados. Um endereco e acombinacao da sequencia das frequencias e o codigo do pseudo ruıdo.

2.2.2.2 OFDM

A tecnica demultiplexacao OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiple-xing) foi criada visando minimizar a interferencia entre canais de frequencia pro-ximos uns aos outros e esta baseada na propriedade da ortogonalidade entre sinais.Dois sinais sao ditos ortogonais, quando a multiplicacao de um pelo outro resultaem zero.

A tecnologia e complexa e exige processamento digital de sinais multiplos. Con-siste na divisao do canal em varios canais de banda estreita de diferentes frequencias(Figura 2.6). A diferenca entre a tecnica convencional FDM esta na forma como ossinais sao modulados e demodulados, garantindo a ortogonalidade dos sinais naOFDM.

Os benefıcios dessa tecnica de modulacao sao: maior numero de canais para umamesma faixa espectral quando comparado com a tecnica FDM (vide Figura 2.6),resistencia a interferencia RF e pouca distorcao causada por caminhos multiplos.Isso e importante porque em um tıpico cenario de broadcast os sinais transmi-tidos chegam ao receptor atraves de varios caminhos de diferentes comprimentos(multipath-channels). Como versoes multiplas de um sinal interferem umas comas outras (inter symbol interference (ISI)) torna-se extremamente difıcil extrair ainformacao original.

OFDM foi a tecnica escolhida para a televisao digital da Europa, Japao e Aus-tralia, assim como para servicos de audio em broadcast na Europa. Tambem vemsendo amplamente utilizada em transmissoes sem fio (wireless).

Figura 2.6: Divisao de canais segundo FDM e OFDM.

Uma discussao detalhada de modulacao utilizadas em sistemas PLC pode serencontrada em [21], juntamente com uma analise de modelos de negocios e regula-mentacao para sistemas PLC.

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2.3 Caracterısticas da Tecnologia PLC

A principal vantagem do PLC sobre as outras tecnologias e a utilizacao de umainfra-estrutura fısica ja existente. Todos edifıcios, apartamentos e casas ja possuemuma rede eletrica instalada. Isto permite conectar um computador ou qualqueroutro dispositivo na tomada e receber um sinal. Nenhum cabeamento adicional enecessario.

Por outro lado, as linhas de potencia sao um dos meios mais inospitos a comu-nicacao de dados, apresentando as seguintes desvantagens:

Atenuacao de acordo com a frequencia: divisores de tensao, acoplamento en-tre fases.

Atraso

Ruıdo impulsivo: interruptores, aparelhos domesticos, motores, dimmers.

Falta de seguranca

Alem disto, as primeiras empresas interessadas em desenvolver a tecnologia lida-ram com outros tipos de problemas: alto custo de desenvolvimento, falta de regula-mentacao, limitacao de banda.

2.3.1 Regulamentacao

Paıses da Uniao Europeia, Japao e Estados Unidos ja possuem uma certa regu-lamentacao sobre a tecnologia PLC. Questoes como ruıdos e radiacoes eletromag-neticas vem sendo discutidas em congressos e seminarios sobre PLC. Um exemplode problema foi o caso de um sistema desenvolvido pela Nor.Web no Reino Unidoainda no inıcio da tecnologia. Esse sistema emitia um ruıdo nas ondas de radio nabanda de 1-30MHz, que resultou em interferencias nos sinais da agencia de radiodo governo britanico. Consequentemente o Departamento de Industria e Comerciodo Reino Unido proibiu o uso de PLC, o que contribuiu para a que a Nor.Web seretirasse do mercado.

A segunda geracao de PLC vem usando a tecnologia OFDM, pois reduz a inter-ferencia nas ondas de radio gracas a diminuicao da densidade espectral da potenciatransmitida. A modulacao OFDM espalha o sinal em uma largura de banda grande,reduzindo a quantidade de potencia injetada sobre uma unica frequencia.

2.4 Tecnologias atuais

As primeiras tecnologias PLC comecaram a surgir ha mais de vinte anos e algu-mas existem ate hoje. Inicialmente foram solucoes simples, destinadas ao controlede dispositivos domesticos e apresentavam bastantes restricoes de taxas de transfe-rencias, custos, etc. A seguir serao apresentadas algumas dessas tecnologias.

2.4.1 X-10 PLC

A tecnologia X-10 PLC (Power Line Carrier) existe ha mais de vinte anos e foicriada inicialmente para integrar baixo custo e controle de equipamentos [16].

Originalmente unidirecional, hoje em dia e possıvel encontrar equipamentos bi-direcionais. Os modulos transmissores do X-10 sao adaptadores que conectados a

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tomada de luz enviam sinais aos modulos receptores para controlar equipamentossimples: interruptores, controles remoto, sensores de presenca, entre outros.

A tecnologia X-10 utiliza uma forma de modulacao Amplitude-Shift Keying (ASK),onde uma portadora modulada de 120kHz com um sinal de 0.5W de energia, e trans-mitida a cada cruzamento por zero da rede de energia eletrica. Para aumentar arobustez do sistema, cada bit utiliza dois cruzamentos para ser transmitido. A trans-missao no cruzamento por zero e justificada, pois neste instante apresenta um menornıvel de ruıdo na rede [6].

O um binario e representado por um pulso de 3 a 5V, com duracao de aproxima-damente 1ms, no primeiro ponto do cruzamento pelo zero e pela ausencia desse pulsono segundo zero [2]. O zero binario e um inverso: ausencia de pulso no primeiropulso e presenca no segundo. Dessa forma, cada bit precisa de um ciclo completode 60Hz para ser transmitido, limitando a taxa em 60 bits por segundo.

Um comando completo do X-10 consiste de dois pacotes com um intervalo de3 ciclos entre eles, e cada pacote leva 11 ciclos para ser transmitido. No total saonecessarios 47 ciclos para se transmitir um comando, o equivalente a 0,8s. Essalimitacao de velocidade acabou restringindo a tecnologia ao controle de aplicacoessimples como iluminacao e seguranca.

Os controladores X-10 sao utilizado basicamente para controlar lampadas e ou-tras aplicacao simples. A Figura 2.7 apresenta a foto de um modem comercial PLCutilizando a tecnologia X-10.

Figura 2.7: Modem X-10.

2.4.2 Intellon CEBus

Intellon e uma empresa privada que produz equipamentos de acordo com o padraoCEBus (Consumer Electronic Bus). O CEBus e um padrao aberto [6, 8], desenvol-vido pela Associacao das Industrias de Eletronica (EIA) desde 1984. A primeiraespecificacao saiu em 1992 e apresenta as caracterısticas da camada fısica para acomunicacao por linhas de potencia, par trancado, cabo coaxial, infravermelho, RFe fibra otica.

O CEBus tambem inclui uma linguagem para as aplicacoes (CAL Common Ap-plication Language), que permite aos dispositivos enviar comandos e solicitacoes destatus usando uma sintaxe um vocabulario comuns a todos (padrao EIA-600).

Utiliza o modelo de comunicacao ponto-a-ponto e adota a tecnica CSMA/CDCR(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection and Resolution) para evitar co-lisao dos dados.

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A tecnologia da Intellon tem como objetivo prover capacidade de controle aredes residenciais e consiste de dois componentes: um transceiver implementandospread spectrum e um microcontrolador para executar o protocolo. Os pacotes saotransmitidos a uma taxa de 10 Kbps. As desvantagens da Intellon sao o custo, quea afasta de consumidores residenciais, e a pouca oferta de produtos CEBus.

2.4.3 Echelon LonWorks

LonWorks e uma tecnologia da empresa Echelon [10] que tem como objetivooferecer uma infra-estrutura para a operacao de rede local denominada LON (Lo-cal Operating Network). Esta baseada no protocolo de comunicacao proprietarioLonTalk (ANSI 709.1), e esta embarcado no chip Neuron, tambem proprietario.

Este sistema pode ser usado atraves de par trancado, cabo coaxial, RF, infraver-melho, fibra otica e rede eletrica. O sistema PLC apresenta comunicacao peer-to-peer, adotando o protocolo CSMA como estrategia de acesso ao meio, funcionandoa uma taxa de 10 Kbps. A tecnologia spread spectrum e utilizada para modulacaodas mensagens.

O alto custo da tecnologia e influenciada pelo chip Neuron, que possui tres pro-cessadores de 8 bits, com ate 10 Kbytes de RAM e ate 10 Kbytes de ROM. Poressa razao e pela existencia de solucoes mais baratas para a automacao residencial,a implementacao massiva da tecnologia se deu em ambientes comercias e industrias,afastando-se de usuarios domesticos.

2.4.4 Adaptive Networks

A Adaptive Networks tambem utiliza a tecnologia spread spectrum, mas oferecechip sets com taxas de 19,2Kbps e 100Kbps. O acesso ao meio e feito atraves de umhybrid token passing, que minimiza tokens desnecessarios em ambientes com cargasleves e preserva integridade do token em situacoes de muita carga.

Apesar de possibilitar taxas de transmissao maiores que as anteriormente menci-onadas, a tecnologia da Adaptive nao e adequada para aplicacoes banda larga comocompartilhamento de arquivos, voz digital e transmissao de vıdeo.

Assim com a Echelon e a Intellon, seus chip sets ainda sao muito caros para seremincorporados a produtos destinados a consumidores residenciais ou de pequenosescritorios.

2.4.5 PLUG-IN

A tecnologia PLUG-IN foi desenvolvida pela Intelogis, Inc. [16] e esta baseadana implementacao de varios protocolos: PLUG-IN Intelogis Commom ApplicationLanguage (iCAL), o PLUG-IN Power Line Exchange (PLX) e o PLUG-IN DigitalPower Line (DPL).

Ao contrario da maioria das linguagens para as aplicacoes do CEBus que uti-lizam o tipo de comunicacao peer-to-peer, o iCAL utiliza cliente-servidor. Estaconfiguracao permite armazenar a inteligencia de cada no da rede em um no central(Servidor de Aplicacoes) como, por exemplo, um computador. As tarefas que exi-gem grande processamento, inteligencia e armazenamento sao realizadas por este nocentral, deixando os nos clientes com a mınima inteligencia e circuito necessario paraexecutarem suas funcoes. Consequentemente, o custo do sistema cai enormemente.

O PLX tem como principal funcao definir o protocolo de controle de acesso ao

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meio (MAC). Este protocolo utiliza dois mecanismos independentes: DSMA (Da-tagram Sensing Multiple Access) e CTP (Centralized Token Passing). O servidoratual da rede e um no que foi inserido com a utilizacao do DSMA e e responsavelpelo gerenciamento do token.

O PLUG-IN DPL e um conjunto de regras que definem como a informacao etransmitida pelos componentes (transceivers) da rede. A modulacao utilizada eFSK (Frequency Shift Keying), cujo valor de custo e bastante inferior ao custo deproducao dos circuitos para modulacao por spread spectrum. As taxas de transmis-sao chegam a 350 Kbps. Estas caracterısticas fazem com que esta tecnologia sejamuito bem aceita em aplicacoes comerciais e residenciais.

2.5 Projetos de Implantacao de PLC

No que diz respeito ao mercado, ja estao disponıveis desde circuitos integradosa produtos completos e kits de desenvolvimento prontos para serem ligados na to-mada e transmitirem dados. Apesar de algumas empresas ja estarem desenvolvendoprodutos para banda larga, nao ha uma padronizacao para a tecnologia PLC. Umasusam modulacao com uma portadora (GMSK, CDMA), com velocidades de 2Mbpse outras utilizam modulacao com multiplas portadoras (OFDM), com taxas maiselevadas (45Mbps).

2.5.1 Projetos com PLC no Brasil

Nos ultimos tres anos algumas empresas brasileiras comecaram a investir empesquisas de tecnologias PLC. A maioria sao empresas de geracao e distribuicao deenergia eletrica interessadas em fornecer novos servicos, principalmente de teleme-tria, aos consumidores finais. A seguir serao explicados dois projetos que utilizamsistemas PLC.

2.5.1.1 Iguacu Energia

A Iguacu Distribuidora de Energia Eletrica Ltda., localizada no estado de SantaCatarina, iniciou em 2002 um projeto para testar a capacidade e o comportamento datecnologia PLC para transmissao de dados, voz e imagem na sua rede de distribuicaode energia eletrica [15].

O projeto teve como objetivo inicial integrar servicos de acesso a internet etelefonia ao sistema de distribuicao de energia eletrica. Sua arquitetura propoe ouso do chamado Centro de Gerencia, que alem de administrar os clientes PLC e oBackbone (rede de acesso e Interligacao), visa oferecer diversos outros servicos comovıdeo e musica sob demanda (stream de vıdeo e audio), TV por assinatura, sistemasde seguranca, de telemetria e etc. A Figura 2.8 mostra as interconexoes planejadasno projeto.

Os consumidores finais (residencias e estabelecimentos comerciais) sao agrupa-dos em unidades transformadoras, denominadas Celulas PLC, onde e instalado umequipamento do tipo Master chamado Head End Router ou Roteador Injetor de Si-nais. Este roteador e responsavel por controlar as prioridades e acessos dos usuariosdaquela celula, sendo tambem o gerador e injetor dos sinais PLC na celula, capazde modular sinais de imagem e voz recebidos do Backbone.

Esta prevista a necessidade de um repetidor de sinal, denominado Home Ga-teway, para locais distantes do Head End Router e tambem para aumento do numero

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Figura 2.8: Interconexoes no projeto PLC da Iguacu Energia.

de usuarios de uma Celula PLC. A Figura 2.9 ilustra as conexoes dos equipamentosnas residencias.

O equipamento Modem PLC mostrado na Figura 2.9 e conectado a uma tomadacomum de energia eletrica que alem da funcao de alimenta-lo, tambem capta os sinaismodulados pelo Head End Router, ou pelo Home Gateway, injetados na rede eletricae os converte em sinais de rede de dados (padrao Ethernet - Protocolo TCP-IP).

Ate o momento da conclusao deste documento nao foram encontradas informa-coes sobre a fase atual de implementacao do projeto ou sobre resultados.

2.5.1.2 Projeto PLC CEMIG

O projeto PLC CEMIG (Companhia Energetica de Minas Gerais) foi um projetopiloto, implementado desde novembro de 2001 e tendo seus resultados publicadosem janeiro de 2003 [9]. O projeto previa o acesso a Internet em banda larga atravesda rede secundaria de distribuicao eletrica sem a necessidade de utilizar a rede detelefonia, da seguinte forma:

1. Uma empresa operadora de telecomunicacoes, fornecedora de acesso a Internetem banda larga, disponibilizava um ponto de terminacao na rua onde eraconectado um equipamento denominado Master PLC (Figura 2.11).

2. O Master PLC injetava o sinal nas fases e no neutro do circuito secundario,ficando este sinal disponıvel a todos os consumidores (em media 50) que esti-vessem ligados no circuito eletrico deste transformador. Em alguns casos foinecessario instalar um repetidor no medidor de energia para reforcar o sinal.

3. Finalmente, o sinal era captado em uma tomada eletrica por um modem PLCe disponibilizado em uma porta padrao Ethernet ou USB (Universal Serial

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Figura 2.9: Conexoes de equipamentos do projeto PLC nas residencias.

Bus) para ligar na placa de rede do computador na casa do usuario.

A configuracao tıpica do projeto pode ser visualizada na Figura 2.10.

Figura 2.10: Configuracao tıpica do projeto da CEMIG.

Neste projeto, o sistema PLC foi concebido para trafegar nos circuitos secunda-rios de distribuicao, cobrindo trechos de 600m em media, a partir do transformador.Portanto, um sistema de acesso para vencer a ultima milha.

O acesso a Internet em banda larga foi implementado com o uso da tecnologiacable modem (Figura 2.11), sendo a velocidade maxima compartilhada por todos osconsumidores ligados no mesmo transformador. Qualquer outra estrutura de teleco-municacoes poderia ter sido usada: fibra optica, radio e etc, desde que possuıssemem suas terminacoes as interfaces padronizadas compatıveis com o hardware PLC.

As caracterısticas deste projeto foram:

Equipamentos: ASCOM - banda larga;

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Figura 2.11: Ligacao de um cable modem a um Master PLC.

Servicos implementados: Internet banda larga;

Bairros monitorados: Vila Paris e Belvedere;

Locais: apartamentos, casas e escola publica;

Pontos ativados: 40;

Tempo de implementacao: 30 dias;

Taxa nominal: 2 Mbps;

Tempo de funcionamento: 360 dias;

Inıcio de suporte ao usuario: 16/12/2001;

Inıcio de avaliacao via web CEMIG: Dez/2001;

Formularios de avaliacao enviados: 420.

Como resultado final do projeto ficou clara a influencia da carga da rede nodesempenho do sistema: quanto maior a carga, maior a degradacao nos acessos dosusuarios. Essa situacao esta diretamente relacionada ao perfil do usuario, sendonecessario o desenvolvimento de tecnicas de correcao dinamica para compensar asvariacoes da carga na rede.

Os resultados foram publicados em janeiro de 2003 e desde entao nao se teminformacoes sobre a atual situacao ou se havera outro projeto em continuacao.

2.5.2 Projetos com PLC no exterior

2.5.2.1 REMPLI

REMPLI (Real-time Energy Management via Powerlines and Internet) [26, 27]e um projeto de pesquisa financiado pela Comunidade Europeia e que congrega

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empresas e universidades de paıses como Franca, Austria, Portugal e Alemanha. Oprojeto tem duracao de 3 anos, tendo iniciado suas atividades em marco de 2003. Oobjetivo principal desse projeto e desenvolver um infraestrutura para aquisicao dedados distribuıdos e controle remoto de operacoes, usando a rede eletrica como meiofısico, e visando a economia de energia em redes de distribuicao em larga escala:residencias dentro de uma cidade, ambientes de producao, etc.

A primeira aplicacao do projeto seria a telemetria, com uma alta resolucao detempo (tempo real), onde os objetos de medida seriam as diferentes fontes de ener-gia: energia eletrica, gas, agua, entre outros. Os usuarios do sistema (companhiasdistribuidoras de energia) teriam como benefıcio uma informacao mais detalhadasobre como a energia e consumida pelos usuarios finais, proporcionando um controlemaior na distribuicao e ate a deteccao de falta de energia. A base do sistema e acomunicacao pela rede eletrica, como pode ser visto na Figura 2.12.

Figura 2.12: Infraestrutura de comunicacao do projeto REMPLI.

A arquitetura proposta usa o sistema de comunicacao pela rede eletrica de formacascateada. Na maioria dos casos, a comunicacao entre media tensao e baixa tensaoe do tipo mestre/escravo. A bridge BT-MT que faz a conexao entre o escravo de altatensao e o mestre de baixa tensao e instalada na segunda estacao transformadora.

A transicao entre PLC e TCP/IP e realizada pelo Ponto de Acesso REMPLI, ins-talado na primeira estacao transformadora. Alem disso, o Ponto de Acesso tambeme responsavel por outras aplicacoes especıficas, como concentracao de informacao,historico, deteccao de falhas e procedimentos de manutencao.

O servidor SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) obtem as in-formacoes do Ponto de Acesso REMPLI atraves de linhas de comunicacao TCP/IPprivadas (Rede Privada da Figura 2.12). Este servidor tambem aceita requisicoesde controle de funcoes dos clientes SCADA, que sao os terminais com os quais tra-balham os operadores das companhias distribuidoras.

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A outra parte da infraestrutura de comunicacao do projeto e composta basica-mente de Nos REMPLI, cada um conectado a um escravo de baixa tensao. O NoREMPLI e instalado na casa do consumidor e pode ser equipado com reles que per-mitem ligar e desligar o abastecimento de gas, agua, energia eletrica, de acordo comos comandos da companhia de distribuicao respectiva.

A infraestrutura baseada em PLC e a arquitetura dos pontos de acesso garantemao projeto REMPLI ser uma plataforma de comunicacao aberta, possibilitando aintegracao de varios servicos: telemetria, gerenciamento de energia, aplicacoes naarea de domotica e ate alarmes de seguranca.

2.6 Problemas da Tecnologia PLC

A tecnologia PLC seria uma solucao perfeita se nao fosse pelo fato de as linhas deforca (assim como a rede telefonica no passado) nao serem consideradas meios ideaispara a transmissao de dados. Tanto dentro e como fora de casa, a rede eletrica estasujeita a todo tipo de interferencia e ruıdos gerados pela diversidade de equipamentosque estao conectados a ela, tais como fontes chaveadas, motores e dimmers. Essesequipamentos geram durante o seu funcionamento uma serie de harmonicas da redeeletrica que pode inviabilizar a comunicacao PLC.

Outro fator negativo das redes eletricas e sua oscilacao: caracterısticas comoimpedancia, atenuacao podem variar drasticamente de um momento para o outro,a medida que luzes ou aparelhos conectados a rede sao ligados ou desligados. Alemdisso, se a intencao for transmitir informacoes a longas distancias, os transformadoresde distribuicao sao verdadeiras barreiras para a transferencia de dados. Apesar depermitirem a passagem de corrente alternada a 50 Hz ou 60 Hz com quase 100% deeficiencia, os transformadores atenuam seriamente outros sinais de maior frequencia.

2.6.1 Vantagens da Tecnologia PLC

A principal vantagem da tecnologia PLC e a possibilidade de transformar todaa infra-estrutura eletrica de uma residencia ou edifıcio em uma rede local de dados,baseado no conceito de ”aproveitamento da rede eletrica”. A conveniencia e atemesmo mais obvia neste caso porque enquanto nem todo comodo tiver um telefonepara conectar, sempre existira uma tomada perto de um computador e cada tomadapode ser encarada como um ponto de acesso que pode ser usado de maneira simples edescomplicada. Logo, por nao requerer nenhuma instalacao nova, a tecnologia PLCe um bom metodo de conectar computadores em comodos diferentes. Vale ressaltarque uma rede domestica PLC nao acrescenta custo a conta de energia eletrica. AsFiguras 2.13, 2.14, 2.15 apresentam os exemplos de uma rede de dados para umacasa residencial. A Figura 2.13 mostra uma rede Ethernet onde os poucos pontosde acessos estao localizados somente pertos de computadores. A Figura 2.14 mostrauma rede usando a linha telefonica onde existem mais pontos de acessos localizadosescassamente por toda a casa. A Figura 2.15 mostra uma rede usando a linha deenergia onde existem muitos pontos de acessos localizados por todos os comodos dacasa.

Essa ideia de transmitir dados sobre rede eletrica tambem poderia ser aplicadapara interconectar dispositivos inteligentes dentro de uma casa. No inıcio de 2000, aempresa Sunbeam anunciou uma linha de eletrodomesticos inteligentes que trocavaminformacoes no momento em que eram ligados a tomada. Batizada de HLT (Home

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Figura 2.13: Rede Ethernet.

Figura 2.14: Rede usando a linha telefonica.

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Figura 2.15: Rede usando a rede de energia eletrica.

Linking Technology), a iniciativa pretendia lancar produtos como despertadores,detectores de fumaca, cafeteiras, cobertores eletricos, medidores de pressao arterial,capazes de se comunicar. Por exemplo, o despertador poderia ser programado paramandar uma ordem a cafeteira para comecar a preparar o cafe um pouco antesdo pessoal da casa sair da cama. Num futuro proximo, ate sera possıvel colocarum filme em DVD no PC da casa e transmitir o som e a imagem para uma TVcompatıvel pela fiacao interna [7].

2.7 Tipos de Redes PLC

Uma analise dos sistemas PLC apresentados na secao anterior permite a identi-ficacao de quatro grupos distintos onde a informacao pode trafegar: redes de altatensao, redes de media tensao (transmissao), redes de baixa tensao (distribuicao) eambientes residenciais. A Figura 2.16 retirada de [28] mostra esta divisao.

A rede de distribuicao e principal foco deste projeto, que visa aplicacoes de te-lemetria e de controle de informacoes. No ambiente residencial a tecnologia PLCencontra uma grande variedade de aplicacoes voltadas principalmente a automacaoresidencial, onde se pode destacar controle de calefacao e ar condicionado, alar-mes, iluminacao, seguranca, e ate mesmo para permitir a criacao de redes locais decomputadores via a rede eletrica.

Com relacao as redes de distribuicao e residencial, o mercado atual envolvendo atecnologia PLC encontra-se dividido em dois segmentos: last mile access e last inchaccess

2.7.1 Last Mile Access

Last mile access: seria o acesso ate a residencias, onde o PLC e somente uma dasdiversas possibilidades tecnologicas dentre as quais figura o cable modem e diferentestipos de xDSL e difusao sem fio (broadband wireless). Nenhuma das tecnologias sedestaca com relacao as demais; nem o PLC apresenta grande vantagens tecnicas

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Figura 2.16: Areas de aplicacao de comunicacao PLC.

com relacao as outras tecnicas, nem estas sao muito superiores ao PLC [19]. Enesse segmento do mercado que as grandes concessionarias estao interessadas, pois atecnologia PLC usaria as linhas de transmissao das mesmas abrindo um novo setorde mercado para elas.

2.7.2 Last Inch Access

Last inch access: seria o acesso dentro das residencias. Alguns estudos apontamque o uso de PLC seria mais eficaz que o cabo, ou mesmo o wireless para provero acesso no interior das residencias [19], devido a capilaridade da sua rede. Olast inch access esta conduzindo gradativamente a expansao do espectro das redescaseiras, por meio de um vasto conjunto de equipamentos conectados no interiordas habitacoes por uma rede interna (in-home). Tal rede pode transformar, comodito anteriormente, todas as tomadas eletricas da casa em conexoes de difusao paracomputadores pessoais, telefones, e seus acessorios, bem como para outro dispositivoseletro-eletronicos, como ilustrado na Figura 2.17.

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Figura 2.17: Last inch access, ou acesso dentro das residencias.

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3 HARDWARE DO MODEM PLC

Neste capıtulo serao expostas as caracterısticas do hardware do modem PLC.Foi selecionado o chip ST7538 (Power Line FSK Transceiver) [31] da ST Microe-lectronics para implementacao do modem PLC. De forma a poder explorar todas ascaracterısticas deste chip foi projetado um modem com interface atraves da portaparalela de um computador do tipo IBM-PC. O projeto desenvolvido e semelhanteo projeto de referencia da ST Microelectronics [4], porem utilizando uma interfaceatraves da porta paralela ao inves da uma interface com um microcontrolador utili-zada no Application Note.

A figura 3.1 mostra uma foto do prototipo implementado. Os diagramas esque-maticos do modem projetado podem ser vistos no Apendice B, enquanto a arte finaldo PCB esta no Apendice C.

Figura 3.1: Foto do prototipo do modem PLC.

O hardware do modem e dividido em basicamente duas partes: uma parte ana-logica constituıda do chip ST7538 e uma interface dos sinais digitais para a portaparalela de um computador IBM-PC padrao.

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3.1 Parte Analogica

A parte analogica do modem e constituıda de um chip ST7538 (PowerLine FSKTransceiver) e dos componentes necessarios para o seu funcionamento.

3.1.1 ST7538-PowerLine FSK Transceiver

O chip ST7538 e um transceiver que foi projetado para realizar comunicacoes se-riais half-duplex, como descrito na Secao 3.1.1.1, utilizando a modulacao FSK, comona Secao 3.1.1.2 sobre as linhas de energia eletrica. Esse chip apresenta uma seriede pinos de saıda para indicar o seu status sob diversas condicoes, e quatro pinosde entrada para realizar o controle sobre o modem. Internamente apresenta umregistrador de 24 bits onde e possıvel programar diversas opcoes a cerca do seu fun-cionamento. Possui uma alimentacao analogica de 7.5V a 12.5V e uma alimentacaodigital de 5V, e necessita de um clock de 16 MHz para o seu correto funcionamento.A Figura 3.2 apresenta o diagrama de blocos do ST7538.

Figura 3.2: Diagrama de blocos do ST7538.

3.1.1.1 Comunicacao Half-Duplex

Uma comunicacao e dita half-duplex (tambem chamada semi-duplex) quandoexistem um dispositivo transmissor e outro receptor, sendo que ambos podem trans-mitir e receber dados, porem nao simultaneamente, a transmissao tem sentido bi-direcional. Durante uma transmissao half-duplex, em determinado instante um dis-positivo A sera transmissor e o outro B sera receptor, em outro instante os papeispodem se inverter. Esse caso se aplica perfeitamente para as redes de energia ele-trica, pois existe apenas um meio de transmissao e o modem envia e recebe na mesmafrequencia, logo dois modems nao podem transmitir ao mesmo tempo.

Caso existisse apenas um modem receptor e um transmissor, tal comunicacaoseria simplex, ou ainda no caso de que fosse possıvel que o modem recebesse etransmitisse simultaneamente, tal comunicacao seria full-duplex.

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3.1.1.2 Modulacao FSK

A modulacao FSK tambem conhecida por modulacao de chaveamento de frequen-cia e um tecnica de modulacao digital que consiste na mudanca da frequencia daonda portadora de acordo com o sinal digital modulante. O modem PLC possui umaonda portadora de alta frequencia, que ira variar +δ para representar uma marca e−δ para representar um espaco.

A Figura 3.3 mostra um sinal digital a ser transmitido atraves dessa modulacaoe o seu equivalente apos a modulacao.

Figura 3.3: Modulacao FSK.

Ainda e possıvel citar que existe a modulacao ASK, onde e variada a amplitudeda onda portadora, como no caso do X10 (vide Secao 2.4.1) e a modulacao PSK,onde ocorre uma mudanca na fase da portadora, esta modulacao e utilizada emmodems telefonicos de pequena banda.

3.1.1.3 Registrador Interno

Como mencionado anteriormente, o ST7538 possui um registrador interno quepossibilita programar algumas opcoes de funcionamento do mesmo. A leitura e es-crita desse registrador e sempre feita de forma sıncrona utilizando os pinos REG/DATA,RX/TX, RxD, TxD, CLRT.

Para realizar uma leitura nesse registrador e necessario colocar o pino REG/DATAe RX/TX em alto, a seguir deve-se ler o pino RxD a cada borda crescente do clockdurante os proximos 24 ciclos, a parte mais significativa do registrador e enviadaantes. Para realizar um escrita o procedimento e similar, porem deve-se deixar oRX/TX em baixo e escrever os dados no TxD. Somente os ultimos 24 bits seraoescritos ao registrador.

Atraves do registrador interno e possıvel programar algumas opcoes do ST7538,como a frequencia de portadora entre 60kHz ate 132.5kHz, velocidade da taxa detransmissao, distancia em marca e espaco, etc.

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3.1.1.4 Funcoes Auxiliares

O ST7538 apresenta uma serie de perifericos para auxiliar o controle e a operacaodo chip, entre eles podemos destacar:

Detector de Banda em Uso: Detecta quando uma frequencia da configuracaoatual do modem e detectada na linha, esta condicionado ao detector de porta-dora para prevenir alarmes falsos. E diferente do detector de portadora devidoa sensibilidade dos seus filtros.

Timeout de Transmissao: Apos um ou 3 segundos de transmissao contınua, oST7538 e forcado para o modo de recepcao conforme o tempo programado noseu registrador interno. Pode se utilizado para controlar o acesso ao meio.

Wacthdog de Hardware: O ST7538 possui um watchdog que previne falhas desoftware assertando o pino RST causando o reset externo e interno da placa.Pode ser programado no registrador interno.

Detector de Cruzamento por Zero: E um detector de cruzamento por zero nalinha de energia eletrica. Atraves do registrador interno e possıvel sincronizara transmissao com o cruzamento para diminuir os pacotes perdidos.

Divisor de Clock: E possıvel colocar um dos clocks divididos internamente noST7538 conforme o programado no registrador interno.

Protetor de Temperatura: Desliga uma parte do chip ao detectar que a tempe-ratura dele passou de um determinado limite.

Regulador de Tensao: Gera uma tensao de 5V para a parte digital do circuito epossui um comparador para verificar a qualidade dessa tensao.

3.1.2 Componentes Analogicos

Para garantir o funcionamento do ST7538 foi construıdo uma interface analogicapara o modem. Essa interface e bem similar ao Apliccation Notes do ST7538 [5] e ecomposta basicamente pelos seguintes componentes:

Alimentacao Digital: E constituıdo de um regulador de tensao 7805 que gera aalimentacao de 5V para a parte digital do circuito. A alimentacao digital podeser selecionada dele ou do ST7538 segundo um jumper.

Gerador de Clock: E constituıdo de um cristal de 16MHz e seus capacitores paragerar o clock de 16 MHz para o ST7538.

Filtros Passa Banda: Sao filtros sintonizados nas frequencias possıveis de trans-missao. Sao tres filtros, um na entrada do sinal antes do transformador dedesacoplamento, um antes da recepcao e outro antes da transmissao. Os fil-tros foram especificados para uma portadora de 132,5kHz.

Circuito de Protecao: Composto de tres diodos zeners de 6V8 rapidos que pro-tegem o circuito contra spikes da rede eletrica.

Controle de Corrente: Composto de um resistor e um capacitor, serve para con-trolar o valor maximo da corrente nos drivers de saıda do ST7538.

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Controle de Tensao: Composto de um divisor de tensao, serve para manter atensao constante no pino Vsense, esse controle e utilizado para ajustar o ganhodo sinal de saıda do ST7538. Atraves de um jumper e possıvel escolher qualsera a linha amostrada.

Detector de Cruzamento por Zero: Composto de um filtro passa baixa paraeliminar as altas frequencias, pode ser conectado ao ST7538 atraves de umjumper na placa.

3.2 Parte Digital

A parte digital do hardware do modem e composta pela a interface dos sinas doST7538 com a porta paralela de um computador IBM-PC padrao.

3.2.1 Interface com a Porta Paralela

A porta paralela e uma interface de comunicacao entre um computador e umperiferico, que nesse caso sera o modem PLC. Ela e basicamente composta de tresregistradores: registrador de dados, registrador de status e registrador de controle.Cada registrador e composto de 8 bits, porem nem todos eles estao disponıveisexternamente na porta paralela. Neste trabalho ficou definido a utilizacao dos pinosde dados para enviar sinais para o modem, dos pinos de status para receber sinaise, por fim, do registrador de controle para as demais operacoes.

3.2.1.1 Pinos de Entrada

Atraves dos seguintes pinos e possıvel controlar o funcionamento do ST7538:

REG/DATA: atraves desse pino e possıvel informar ao ST7538 se ha o envio da-dos para serem modulados e transmitidos na rede ou armazenados no seuregistrador interno, alterando o seu funcionamento.

TxD: Pino de entrada digital, atraves desse pino passa-se o dado para o chip.

Rx/Tx: atraves desse pino podemos alternar entre uma secao de transmissao ourecepcao de acordo com uma comunicacao do tipo half-duplex.

WD#: Pino de watchdog, esse pino e utilizado para resetar o contador interno doST7538 e impedir o reset no pino RESET# da placa.

Os pinos de entrada do ST7538 estao conectados ao registrador de dados da portaparalela atraves de um buffer tri-state que esta constantemente habilitado (tal buffere utilizado como uma forma de protecao) e a ligacao com os pinos e feita conformea Tabela 3.2.

Tabela 3.1: Ligacao do registrador de controle.Pino na porta paralela Bit do registrador

AUTOF1 bit1INIT bit2

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Tabela 3.2: Ligacao dos pinos de entrada.Pino na porta paralela Bit do registrador Pino no ST7538

Data0 bit0 REG/DATAData1 bit1 TxDData2 bit2 Rx/TxData3 bit3 WD#

3.2.1.2 Pinos de Saıda

Os pinos de saıda apresentam diversos status do modem PLC que devem serconstantemente lidos para garantir o controle sobre o mesmo. Os seguintes pinossao lidos do ST7538:

RxD: Pino de saıda digital, atraves desse pino e possıvel receber os dados doST7538.

CLRT: Pino de clock digital, atraves desse pino e possıvel amostrar o pino RxD deforma correta.

MCLK: Pino de clock digital, esse pino possui um clock de alta frequencia quepode ser utilizado para realizar transferencias rapidas para o driver. O seuvalor depende do registrador interno do ST7538.

RESET#: Pino de reset, esse pino e utilizado para que o ST7538 resete o driverdevido a uma falha de software, caso o watchdog esteja habilitado.

PG: Pino de status da alimentacao, esse pino avisa que a tensao de alimentacao doST7538 esta adequada atraves do nıvel logico 1.

TOUT: Pino de time-out, esse pino e assertado quando uma transmissao durarmais que o valor programado no registrador do ST7538. Esse pino tambempode representar que o chip esta numa temperatura acima do padrao e que aplaca deve ser desligada.

REG OK: Pino de status do registrador interno do ST7538, esse pino garante queo conteudo do registrador interno do chip e valido.

CP/PD: Pino de deteccao de portadora, atraves desse pino o ST7538 indica apresenca de uma portadora ou preambulo (alternancia de marcas e espacos)na linha de energia eletrica, conforme o valor do registrador interno do ST7538.

BU: Pino de banda em uso, similar ao CP/PD porem com outra sensibilidade.

ZCOUT: Pino de deteccao de cruzamento por zero na linha de energia, pode serutilizado para sincronizar a transmissao com a rede de energia.

Devido ao fato de que o ST7538 possui mais pinos de saıda que o registrador destatus, eles estao conectados ao registrador compartilhando um barramento atravesde tres buffers tri-state, que sao habilitados pelo registrador de controle da portaparalela conforme a o bit desejado para a leitura. Os pinos desse registrador estao

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Tabela 3.3: Ligacao dos pinos de saıda.

Pino na porta paralela Bit do registrador Pinos no ST7538

ST1 ST2 ST3ERROR bit3 CLRT ZCOUT TOUTACK bit6 RESET# RESET# RESET#SLCT bit4 RxD REG OK BUBUSY1 bit7 CD/PD PG MCLK

conectados conforme a Tabela 3.1. A ligacao com os pinos de status e feita conformea Tabela 3.3.

3.2.1.3 Pinos de Controle

Como dito anteriormente os pinos de status sao lidos atraves de um barramento,logo e necessario utilizar os pinos de controle para setar o buffer que utilizara obarramento conforme a Tabela 3.1.

A Tabela 3.4 indica como os valores do registradores de controle afetam o bar-ramento de status.

Tabela 3.4: Ligacao nos multiplexadores.AUTOF INIT ST Ativo

0 0 ST30 1 NenhumSTAtivo1 0 ST11 1 ST2

3.3 Teste Estatico

Para teste basico do hardware do modem, foi desenvolvida uma metodologia parateste estatico do modem, descrita a seguir.

3.3.1 Condicoes Iniciais

1. ST7538 aguardando recepcao sinal PLC

2. DVss = 0V

3. RxTx = 1

4. TxD = 0

5. GND = 0V

6. DVdd = +5V

1Pino invertido

50

7. TEST1 = 0 (jumper3 fechado)



10. WD = 1

11. ZCIN = rede eletrica (J5 fechado)

12. DVss = 0V

13. PAVss = 0V

14. PAVcc = 9V

15. CL = 0V

16. SGND = 0V

17. XOUT, XIN = clock 16 MHz

18. Avdd = +5V (J6, posicao 1-2)

19. Vsense = rede eletrica (J4, posicao 1-2)

20. RxFO = NC

21. RAI = rede eletrica (J1 fechado)

22. Cminus = 0V

23. CPlus = 0V

24. GND = 0V

25. REG/DATA = 0

3.3.2 Estado dos Pinos

Tabela 3.5: Estado dos pinos do ST7538 ao ser energizado

Pino Nome Funcao Estado Inicial

1 CD/PD Saıda digital: deteccaode portadora moduladano baud rate programadopara recepcao por no mı-nimo 4 sımbolos conse-cutivos (1010 ou 0101)e/ou portadora proximaa frequencia de porta-dora programada pararecepcao 0 - detectado 1- nao detectado

1 - nenhum preambuloou portadora inicial-mente detectada poisainda nao comunicacao

(Continua)

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Tabela 3.5: Estado dos pinos do ST7538 ao ser energizado(Continuacao)

2 DVss 0V da alimentacao digi-tal

0V

3 RxD Saıda digital: pino desaıda de dados recebidospelo ST7538 na comuni-cacao PLC ou na leiturade Register Control

0 - estado ocioso, aguar-dando comunicacao

4 RxTx Entrada digital: seleci-ona comunicacao. 1 - re-cepcao, 0 -transmissao

1 - configurado, paraaguardar recepcao de da-dos PLC

5 TxD Entrada digital: pinode entrada de dados aserem transmitidos peloST7538 na comunicacaoPLC ou na escrita de Re-gister Control

0 - configurado

6 GND Substrate ground 0V7 TOUT Saıda digital: deteccao

de evento de time outna transmissao. 1 -evento ocorrido (trans-missao muito longa), 0 -nenhum evento ocorrido

0 - nenhum evento detime out na transmissaoocorrido pois ainda naoha transmissao

8 CLR/T Saıda digital: Clock desincronismo de transmis-sao/recepcao de dados nacomunicacao PLC ou nacomunicacao com Regis-ter Control.

1 - comunicacao aindanao detectada

9 BU Saıda digital: deteccaode sinal recebido dentroda banda de frequenciade recepcao. 0 - sinal naodetectado 1 - sinal detec-tado

0 - ainda nenhuma comu-nicacao

10 DVdd +5V da alimentacao digi-tal

1

11 MCLK Saıda digital: clock desaıda programavel (Fosc,Fosc/2, Fosc/4) Fosc= 16MHz

4 MHz

(Continua)

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12 RSTO Saıda digital: fornece si-nal de reset para circui-tos externos ao ST7538.Caso watchdog timer es-teja habilitado (default =Enabled), RSTO, em1, acada 1.5 s vai para 0,permanecendo neste nı-vel por 50 ms. Timerde watchdog pode ser ze-rado com pulso negativo(0) em pino WD por 3.5ms.

onda quadrada deT=1550 ms

13 TEST3 Entrada: ? 0 - para funcionamentonormal

14 WD Entrada digital: apli-cando pulso negativo (0)zera timer de watchdog,que tem perıodo de 1.5 s

1 - configurado paraaguardar borda de des-cida que zera watchdog

15 ZCOUT Saıda digital: indica cru-zamento por zero do si-nal senoidal da rede ele-trica. 0 - detectado tran-sicao negativa por zero, 1- detectado transicao po-sitiva por zero

0 - cruzamento por zerodesabilitado por default

16 ZCIN Entrada analogica: captasinal senoidal da rede ele-trica

onda senoidal 60 Hzrede eletrica (condi-cao:jumper J5 fechado)

17 NC - -18 DVss 0V da alimentacao digi-

tal0

19 ATOP1 Saıda analogica: sinalPLC transmitido

onda senoidal 60 Hz redeeletrica

20 PAVss 0V da alimentacao analo-gica

0V

21 ATOP2 Saıda analogica: sinalPLC transmitido

onda senoidal 60 Hz redeeletrica

22 PAVcc Alimentacao do chip (ate14V)

9V (valor tıpico)

23 CL Entrada analogica: rea-limentacao para controledo consumo de correntedurante transmissao

0V - ainda nenhum sinalsendo transmitido. Naopode ficar flutuando

(Continua)

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24 ATO Saıda analogica: fornecesinal de transmissao ate-nuado

NC

25 SGND 0V alimentacao analo-gica

0V

26 XOUT Entrada analogica: sinalde clock

Entrada analogica: sinalde clock

27 XIN Entrada analogica: sinalde clock

Entrada analogica: sinalde clock

28 Avdd 5V alimentacao analo-gica

5V (selecionada a fonte5V atraves do jumper J6)

29 Vsense Entrada analogica: sen-soriamento da tensao desaıda para controle detensao do sinal transmi-tido


30 TEST2 Entrada: ? 0 - para funcionamentonormal

31 RxFO Saıda analogica: saıda dofiltro de recepcao

NC

32 RAI Entrada analogica: sinalPLC recebido


33 VDC alimentacao regulada 5Vfornecida pelo ST7538

5V

34 NC - -35 TEST1 Entrada: ? 0 - para funcionamento

normal36 REGOK Saıda digital: verifica in-

tegridade dos dados deRegister Control. 0 -dado corrompido, 1 -dado OK

1 - dado OK

37 C Minus Entrada analogica: en-trada invertida de ampli-ficador operacional

0V

38 C Plus Entrada analogica: en-trada nao invertida deamplificador operacional

0V

39 NC - -40 C OUT Saıda analogica: saıda de

amplificador operacional0V

41 GND 0V alimentacao 0V(Continua)

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42 PG Saıda digital: indicastatus da alimenta-cao VDC (pino 33).1 - VDC>4.5V, 0-VDC<4.25V

1 - VDC>4.5V

43 REG/DATA Entrada digital: sele-ciona comunicacao comRegister Control ou si-nal PLC. 0 - comunica-cao PLC 1 - comunicacaocom Register Control

0 - configurado para co-municacao PLC

44 NC - -

3.4 Alteracao no Hardware

Atraves do desenvolvimento do software do modem foi constatada a necessidadeda mudanca no hardware. Para efetuar o recebimento de dados no processador docomputador seria necessario ficar realizando polling no ST7538, sendo que tal fatoiria consumir muito tempo de processamento dificultando a utilizacao do modemjuntamente com o kernel do Linux. Para corrigir esse defeito foi conectado o pinode clock diretamente no pino 10 (ACK) da porta paralela e a partir deste momentofoi utilizado uma interrupcao para o recebimento de dados, melhorando o processo.A Tabela 3.6 apresenta a nova configuracao dos pinos. Maiores detelhes sobre asmodificacoes realizadas podem ser obtidas em [30].

Tabela 3.6: Ligacao dos pinos de saıda.Pino na porta paralela Bit do registrador Pinos no ST7538

ST1 ST2 ST3ERROR bit3 RESET# ZCOUT TOUTACK bit6 CLRT CLRT CLRTSLCT bit4 RxD REG OK BUBUSY1 bit7 CD/PD PG MCLK

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4 SOFTWARE DO MODEM PLC

Neste capıtulo sera detalhado o software desenvolvido para acionar o modemPLC. Para melhor compreensao, os conceitos envolvidos serao brevemente explica-dos.

4.1 Plataforma de Desenvolvimento

Como opcoes para plataforma de desenvolvimento do driver para computadoresIBM-PC ha, atualmente, como principais alternativas os sistemas operacionais Win-dows e Linux. No Windows nao ha acesso aos codigos fontes do sistema operacionale exitem algumas dificuldades de acessar alguns dispositivos de I/O como a portaparalela, por exemplo. Ja na plataforma Linux, os codigos fontes do mesmo sao aces-sıveis, o que possibilita qualquer alteracao que podera eventualmente ser necessaria,e existe acesso a todos os dispositivos do computador. Por esse motivo o Linux eutilizado amplamente no desenvolvimento de aplicacoes embarcadas, tornando-se aplataforma de desenvolvimento ideal para o driver tanto para o seu desenvolvimentocomo para a sua aplicacao.

Com a escolha da plataforma de desenvolvimento do driver, torna-se necessa-rio a escolha do tipo de driver que sera desenvolvido. Inicialmente pode-se pensarem implementar um simples driver para dispositivos de caracter para Linux. Aprimeira vista essa alternativa e uma boa opcao pois implementacao de um driverchar e simples e facil de ser compreendida evitando maiores problemas. Driverschar funcionam de forma similar a arquivos em linguagem C. Porem pelo fato deque o modem implementa uma comunicacao serial, a implementacao de tal driverimplicaria na necessidade de desenvolvimento de complexos programas de aplicacoespara a sua utilizacao. Para realizar comunicacao serial torna-se adequando o desen-volvimento de um driver TTY para Linux pois tal driver apresenta certas funcoesadequadas a essa comunicacao e possuem uma serie de programas ja prontos para asua utilizacao. Porem ele apresenta uma implementacao um pouco mais complexaque um driver char. Assim o desenvolvimento de um driver TTY torna-se adequadonessa situacao para tornar o resultado mais util ao usuario final.

Devido ao fato de que o modem realiza uma comunicacao half-duplex torna-senecessario implementar algum controle de acesso a linha de transmissao no driverpara evitar que dois modems tentem transmitir ao mesmo tempo, o que consequente-mente inviabilizaria a comunicacao. Nesse trabalho sera implementado um controlede fluxo CSMA-ppersitente, pois ele possui as caracterısticas necessarias para essaaplicacao e permite uma maior eficiencia do meio de transmissao.

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4.1.1 Sistemas Operacionais

Em um sistema microprocessado complexo, varios processos sao executados. Emum sistema multitarefa, o processador deve atender a todos os processos em umintervalo reduzido de tempo, de forma que para um usuario do sistema, eles parecamser executados simultaneamente. Todos os processos demandam recursos do sistema,como memoria, conexao de rede, tempo de computacao, acesso a dispositivos etc.O sistema operacional pode ser entendido como uma camada de software, colocadaentre a aplicacao e o hardware, responsavel por gerenciar a execucao dos processose suas demandas.

Na maior parte do tempo, o processador executa aplicativos. O sistema opera-cional e chamado na ocorrencia de um evento especial, que pode ser uma chamadade sistema ou uma interrupcao de periferico. A chamada de sistema merece atencaoespecial, pois e a interface atraves da qual o aplicativo faz uma solicitacao de servicoao sistema operacional. Uma chamada de sistema e como uma chamada de sub-rotina, mas que transfere a execucao para o sistema operacional. Ao seu retorno, aexecucao do aplicativo e retomada na instrucao seguinte a chamada.

A parte do sistema operacional responsavel pela implementacao das chamadasde sistema e chamada de nucleo (kernel) do sistema. O kernel gerencia o acesso aoprocessador, a memoria, aos dispositivos de entrada e saıda e ao sistema de arquivos.

4.1.1.1 Linux

O sistema operacional Linux e um sistema Unix-like, tendo muitas caracterısticascomuns a outros sistemas UNIX. Uma virtude do sistema Linux e ser um sistemaoperacional independente de plataforma, ou seja, nao esta atrelado a processadoresIntel e compatıveis. O sistema Linux pode ser utilizado, por exemplo, em processa-dores ARM, Alpha, PowerPC, M68K, MIPS, SPARC, S390 e outros, que constituemem uma alternativa a arquitetura IA32 de processadores [29].

Em um sistema Unix-like, existem diversas tarefas sendo executadas. Cada tarefarequisita por recursos do sistema operacional, tais como, processamento, memoria,conectividade de rede e outros recursos especıficos. O kernel do Linux e um grandeprograma que se encarrega de distribuir tais recursos entre as tarefas. O kernel podeser dividido, como mostra a Figura 4.1, nas seguintes partes:

Gerenciador de Tarefas: O kernel e encarregado de destruir e criar tarefas, bemcomo tratar da sua conexao com o mundo externo. A comunicacao entrediferentes tarefas e a base para o correto funcionamento do sistema operacionale tambem e tratado pelo kernel. Ainda existe o escalonador (schelduler), quecontrola como as tarefas dividem o processamento da CPU nesta parte dokernel.

Gerenciador de Memoria: A memoria do computador e um recurso essencial, ea polıtica para o seu uso e crucial para o desempenho do sistema operacional.O kernel constroi um espaco de enderecamento virtual para si e para todas astarefas. Atraves de tal enderecamento e feita a divisao entre kernel space e userspace. O sistema operacional, que roda no kernel space, gerencia a memoriacontra acessos nao autorizados. Esta tarefa de protecao e feita com o auxilio dohardware do processador. De fato, todos os processadores modernos possuemnıveis (ou modalidades) diferentes de operacao, e algumas acoes apenas saopermitidas em certos nıveis de operacao.

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Figura 4.1: Divisao do kernel do Linux.

Sistemas de Arquivo: Unix e fortemente baseado na conceito de sistemas de ar-quivo. Praticamente tudo em um sistema Unix pode ser tratado como umarquivo. O kernel constroi um sistema de arquivos estruturados em cima deuma hardware desestruturado, e o resultado dessa abstracao e usado por todoo sistema. Ainda. o Linux suporta multiplos sistemas de arquivo de diferentestipos, sendo que, cada tipo de sistema utilizada uma forma diferente de orga-nizar os dados no meio fısico. Como exemplo de sistemas de arquivos existem:EXT2, EXT3, FAT, NTFS, JFFS2 e Reiser.

Controlador de Dispositivos: Cada operacao do sistema operacional, geralmente,e direcionada para um dispositivo fısico diferente. Com excecao do processa-dor, memoria, e outras poucas entidades, todas as operacoes direcionadas aum hardware sao executadas por um codigo especıfico para aquele dispositivo.Tal codigo e chamado de driver. O kernel deve ter um driver especıfico paracada periferico presente no sistema, desde HD ate o teclado. Por esse motivosera desenvolvido um driver para tratar as funcoes do modem PLC. Existemdiversos tipos de drivers, porem eles nao serao abordados nesse trabalho.

Sistema de Rede: As operacoes de rede devem ser controladas pelo sistema ope-racional porque tais operacoes nao sao uma especificas a uma tarefa. Pacoteschegando sao eventos assıncronos que devem ser coletados, identificados e des-pachados antes que uma tarefa precise deles. O sistema e responsavel porentregar os pacotes a sua devida tarefa, ou a sua interface de rede, e controlara execucao dos programas de acordo com a sua atividade na rede. Uma grande

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vantagem do Linux, e que o seu kernel ja possui desenvolvido controles de di-versos protocolos como PPP, AX-25, FR, SLIP, PLIP, X25 e outros. Assimtais protocolos sao gerenciados pelo kernel sendo transparentes para o modemPLC.

Neste ponto sera implementado um driver TTY no kernel do Linux, controladopelo controlador de dispositivos, que utilizara as operacoes de rede para realizar acomunicacao entre dois modems.

4.1.2 Programando no Kernel do Linux

Esta parte tem como objetivo introduzir alguns conceitos de programacao parao kernel do linux. Todas as funcoes utilizadas no drivers podem ser encontradas nocodigo fonte do kernel -2.6.17 localizados nos headers do mesmo.

Inicialmente como o kernel roda por si mesmo, ele nao pode utilizar funcoes dabibliotecas padroes do C e sim as suas proprias. A funcao printf() e substituıdapela printk() que esta definida no kernel de modo bastante similar ao printf().O driver pode utilizar printk() pois, apos ele ser linkado com o kernel, ele temacesso a todas os sımbolos publicos do kernel (funcoes e variaveis).

Indo adiante, existem outras diferencas entre o driver do kernel e uma apli-cacao. Onde uma aplicacao faz uma simples tarefa do inıcio ao fim, um driverdeve-se registrar para prover futuras chamados do kernel ao mesmo. A funcaoinit_module() e as outras chamadas por ela sao responsaveis pela inicializacao dodriver e por informar ao kernel a sua existencia e as suas funcionalidades. A funcaocleanup_module() faz o contrario.

E possıvel adicionar um driver ao kernel ja carregado utilizando os programasinsmod e rmmod para adicionar e retirar, respectivamente, drivers e modulos nokernel. Deve-se executar tais programas como superusuario para que a operacaoseja feita com sucesso. A Figura 4.2 mostra como as funcoes e os ponteiros saoutilizados para adicionar uma nova funcionalidade ao kernel rodando.

Como mencionado anteriormente, a divisao do espaco do usuario e do kernel eimplementada pelo controlador de memoria, e assim deve-se usar funcoes especıficaspara tratar ponteiros recebidos do programa de aplicacao. A funcao put_user() eutilizada para colocar dados no espaco do usuario e get_user() recebe dados domesmo.

Somente funcoes que sao realmente parte do kernel podem ser usada no driver.Qualquer header pode ser encontrado em include/linux e include/asm dentro daarvore do kernel.

Como ate mesmo o menor driver e linkado a todo o kernel do Linux, deve-setomar o cuidado no uso de variaveis globais. Caso existam duas variaveis globaiscom o mesmo nome, podem ocorrer os mais variados tipos de falhas, que dependeraoda configuracao do computador usado e dos modulos carregados no kernel. Paraevitar tais problemas recomenda-se a utilizacao da declaracao static para as suasvariaveis.

Por fim, uma ultima diferenca em a programacao no kernel e na aplicacao e arespeito de erros no programa. Enquanto um uma falha de segmentacao na aplicacaoe simplesmente um aviso e um debbuger pode ser utilizado para rastrear o problema,no kernel, tal problema e fatal nao so para a aplicacao que esta sendo executadae sim para todo o sistema. Metodos de depuracao para o kernel existem, porem

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Figura 4.2: Adicionando um Driver no Kernel.

eles nao serao tratados neste trabalho. No desenvolvimento do driver foi utilizadoo programa oops para depurar tais problemas.

4.2 Especificacoes de Hardware

Apos apresentar alguns conceitos a respeito de Linux e possıvel tratar do de-senvolvimento do driver em si. O hardware construıdo influencia fortemente o fun-cionamento do driver, pois algumas opcoes do registrador interno do ST7538 naopoderao ser alteradas pelos usuarios do modem. As opcoes fixas sao as seguintes:

Frequencia da portadora: Os filtros localizados no hardware da placa foram sin-tonizados para um frequencia de portadora de 132.5kHz. Logo essa opcao ficafixa.

Watchdog: Nao sera implementada uma funcao de watchdog nesta versao de soft-ware e portanto ele deve permanecer desabilitado.

Timeout: O timeout de transmissao sera implementado em software nas funcoesde protocolo, logo o de hardware deve ser desabilidato.

Deteccao de portadora: Como sera utilizado o pino de clock para interromper oprocessador, o clock so devera ser passado para o processador quando houveralgum dado disponıvel tornando essa opcao fixa.

Interface Sıncrona: Nao sera implementada um software que suporte a interfaceassıncrona, logo essa opcao sera fixa.

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Modo Pacote: Essa funcao foi retirada na primeira revisao do datasheet do ST7538e nao sera desenvolvido suporte para ela.

As demais opcoes como taxa de transmissao e outras ficam como opcoes defuncionamento para o usuario.

4.3 Software para Teste do Hardware

Para teste do hardware do modem PLC foram desenvolvidas bibliotecas em lin-guagem C. Estas bibliotecas incluem funcoes para inicializar e finalizar o hardwaredo modem, receber e transmitir dados, obter o estado do modem e realizar operacoesbasicas de controle do mesmo.

Foram desenvolvidas tres versoes do software de teste do hardware do modemPLC, todas elas implementando exatamente as mesmas funcoes, cujo prototipo estano arquivo de cabecalho plcmodem.h:

Versao MS–DOS: Esta versao foi desenvolvida basicamente com o objetivo detestar o hardware do modem PLC. O fato do sistema operacional MS–DOSnao operar em modo protegido facilita o acesso ao hardware dos programasque testam o hardware do modem. A versao MS–DOS do software basicoe utilizada atraves da biblioteca plcmodem.lib, que implementa as funcoesdeclaradas em plcmodem.h acessando diretamente o hardware.

Versao Linux: A versao Linux do software de teste do hardware do modem PLCfoi desenvolvida devido a necessidade de utilizar-se o sistema em um ambientecom suporte a servicos sofisticados de redes de computadores para implementara central de telemedicao. A versao Linux do software basico e utilizada atra-ves da biblioteca libplcmodem.a, que implementa as funcoes declaradas emplcmodem.h atraves do driver ppdev do Linux, que prove o acesso ao hardwareda porta paralela no espaco do usuario.

Versao de Emulacao: Ao contrario das versoes anteriores, a versao de emulacaodo software de teste nao utiliza realmente o modem PLC, mas emula o fun-cionamento do modem atraves de um cabo null-modem conectado na porta RS-232 do IBM-PC. Esta versao e utilizada atraves da biblioteca libplcnullmodem.a, que tambem implementa as funcoes declaradas em plcmodem.h, mas emulaa funcionalidade do modem PLC transmitido e recebendo os dados atravesda porta RS-232. O objetivo desta versao do software de teste e possibili-tar o teste das camadas superiores do software do sistema (por exemplo, doprotocolo NBR–145222) sem a necessidade do hardware do modem PLC.

Todo o software do modem PLC esta documentado atraves do sistema Doxy-gen [14], que gera documentacao automaticamente a partir de comentarios no co-digo fonte dos programas, como mostra a Figura 4.3. A documentacao e gerada nosformatos Hyper-Text Markup Language (html), Portable Document Format (pdf),Unix Man Pages (man) e Rich Text Format (rtf). A documentacao do software emhtml pode ser acessada em <http://www.ece.ufrgs.br/~fetter/plc/doc> ou noCD-ROM que acompanha este relatorio.

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Figura 4.3: Documentacao automatica gerada pelo Doxygen.

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4.4 Software de Driver e Controle de Acesso ao Meio Fısico

Como citado em 4.1.1.1, foi implementado um driver TTY no kernel do Linuxpara realizar a parte de baixo nıvel do modem PLC. Ele devera se comunicar como usuario com um programa de aplicacao conforme os passos descrito em 4.5. Elepossui basicamente as seguintes funcoes:

1. funcoes de acesso ao hardware,

2. funcoes de protocolos,

3. funcoes de drivers TTY.

O codigo fonte do driver se encontra em anexo no final desse trabalho.

4.4.1 Acesso ao Hardware

As funcoes dessa secao serao responsaveis por realizar o acesso em mais baixonıvel ao hardware do modem PLC. Elas deverao dar suporte as funcoes das camadassuperiores para o gerenciamento do driver.

4.4.1.1 Leitura dos Pinos do ST7538

Para realizar a leitura e a escrita nos pinos de dados e de controles do ST7538basta realizar a leitura dos pinos, modificar os pinos desejados e entao escrever ovalor no respectivo registrador.

Para realizar a leitura dos pinos de status do ST7538 sera criada a funcaoreadMSR(), que deve seguir o seguir o fluxograma da Figura 4.4.

Primeiramente e necessario setar um dos buffers do barramento, realizar a leiturados seus pinos de status, armazenar em um registrador. Entao se deve setar outrobuffer e fazer todos os passos novamente. Assim e realizada a leitura dos pinos destatus do ST7538.

4.4.1.2 Leitura e Escrita do Registrador Interno do ST7538

Essas funcoes devem ser responsaveis por ler e escrever a configuracao desejadano registrador interno do ST7538. Isso e feito atraves da Figura 4.5

Devido ao fato de que a configuracao do modem nao e realizada durante o funcio-namento do driver, ou nao frequentemente, implementamos funcoes que realizam pol-ling no pino de clock do ST7538. As funcoes readRegister() e writeRegister()

implementam os passos do fluxograma da Figura 4.6 para fazer sua funcao.

Inicialmente e necessario setar o pino REG/DATA do ST7538, a seguir deve-seler e escrever os proximos 24 bits de configuracao do modem PLC.

A Figura 4.7 mostra a visualizacao de uma leitura do registrador interno doST7538 realizada pelo driver. Nota-se o clock variando rapidamente em baixo e obits no registrador sendo escritos em cima.

4.4.1.3 Leitura e Escrita de Dados do ST7538.

Essas funcoes devem ser responsaveis por enviar e receber dados do ST7538. Ospassos para o recebimento dos dados sao similares a escrita e a leitura do registrador

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Figura 4.4: Fluxograma da leitura e escrita de dados no ST7538.

Figura 4.5: Sequencia de escrita no registrador interno do ST7538.

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Figura 4.6: Fluxograma do software de leitura e escrita de dados no ST7538.

Figura 4.7: Leitura do registrador interno do ST7538 realizada pelo driver.

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Figura 4.8: Fluxograma do software de leitura e escrita de dados no ST7538.

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interno do ST7538, porem ela e realizada de uma forma totalmente diferente das an-teriores. O recebimento/escrita de dados e realizada em um contexto de interrupcaodo processador e seguem os passos do fluxograma representado na Figura 4.8.

A cada ciclo de clock recebido, um dado e lido/escrito para o ST7538. A cadaoito bits que isso ocorre um novo dado e carregado para repetir o processo ou umdado e enviado para a camada superior do driver.

A Figura 4.9 mostra um frame sendo enviado para o hardware do modem PLC.Inicialmente um preambulo e enviado para que o ST7538 possa detectar a portadorana recepcao e assim garantir que nenhum bit sera perdido.

Figura 4.9: Envio de dados para o ST7538.

4.4.2 Protocolos de Enlace e Acesso ao Meio Fısico

Para aumentar a robustez do sistema serao implementados dois nıveis de proto-colos: HLDC e CSMA p-persistente. Por uma questao de facilidade para o usuariosera implementado tambem o protocolo KISS como explicado em 4.5.

4.4.2.1 Protocolo de Enlace

HDLC e um dos protocolos mais utilizados da camada dois do modelo OSI [32],sendo estruturado em frames. A Figura 4.10 mostra a estrutura de um frame HDLC.

Figura 4.10: Estrutura do Frame HDLC.

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HDLC utiliza insercao/remocao de zeros (bit-stuffing) para garantir que no pa-cote de dados nao apareca a flag (7E), que por sua vez serve para delimitar o inıcioe o final de cada frame. E possıvel visualizar a transmissao dos flags para o modemna Figura 4.11 e na Figura 4.12. Apesar de o frame original HDLC possuir umcampo de endereco, esse nao sera utilizado neste projeto em questao. Isso se deveao fato de que o campo de endereco so e realmente util quando existe um hardwareque permite a decodificacao do endereco, o que nao se aplica a esse caso. Por issoa transmissao sera broadcast, ou seja, todos os modems escutam todos os modemse uma camada de cima devera ser responsavel por descartar as mensagens que naosao para aquele modem.

Figura 4.11: Envio da sequencia de flags para o ST7538.

Apos acabar o pacote o software devera adicionar 16 bits de CRC para garantira integridade dos dados durante a transmissao. Para as funcoes de CRC foramincluıdos trechos de codigos prontos. Se durante a mensagem ocorre a presenca desete bits ”um”consecutivos o frame e abortado.

A funcao hdlc_tx_byte() e responsavel pela a maquina de estados da trans-missao do frame HDLC, isto e, pela insercao de flags, do CRC e do bit-stuffing datransmissao. A funcao hdlc_rx_byte() e responsavel pela a recepcao do frame, epela verificacao do bit-stuffing durante o frame, os flags sao tratados pela a funcaohdlc_rx_add_bytes() e o CRC pela a funcao hdlc_rx_flag(). Essa ultima funcaotambem coloca o dado em um pacote KISS como sera explicado na Secao 4.4.2.3.

4.4.2.2 Protocolo de Acesso ao Meio Fısico

O CSMA, e um protocolo de telecomunicacao que organiza a forma como osmodems compartilham um determinado meio de transmissao. Este protocolo estabaseado na deteccao da portadora para controlar quando o meio esta sendo utilizado.

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Figura 4.12: Envio da sequencia de flags para o ST7538 (zoom).

O CSMA p-persistente e uma variacao do CSMA na qual ao detectar que o meioesta disponıvel para a transmissao, cada modem tem uma probabilidade p de ganharo acesso ao meio. Utilizando tal tecnica e possıvel diminuir o numero de colisoes deacordo com uma rede especifica em questao.

Como o modem PLC utiliza uma comunicacao half-duplex e necessario realizarum controle de acesso ao meio fısico, ou seja, a linha de energia eletrica. O acessoao meio sera realizado atraves de timeslots, assim cada modem PLC tera um de-terminado tempo para verificar o estado do meio. Caso o meio esteja livre, ele irarealizar um sorteio para tentar ganhar o meio.

Ao final de cada transmissao do frame o meio sera liberado para o sorteio entreos modems escutando a linha. Cada modem tambem devera enviar uma certa quan-tidade de flags apos o final e antes do inıcio da mensagem. Todos esses parametrossao passados para o driver na sua insercao junto ao kernel de Linux.

Para realizar o controle de timeslots sera inicializado no kernel um timer queperiodicamente ira verificar o estado da linha e caso ela esteja livre, cada modem queesta disputando o meio tera uma probabilidade P de conseguir pegar o meio parasi. Caso dois ou mais modem peguem a linha ao mesmo tempo, ocorrera colisaoe assim sendo que nenhum dos modems conseguira transmitir corretamente o seupacote. Como nao e possıvel detectar colisoes com o hardware do modem PLC, naosera feito nenhum controle de transmissao nesse nıvel do driver. O nıvel de cimadevera ser responsavel por controlar se o frame foi entregue ou se ocorreu colisao.

A funcao arb_sched() e responsavel por verificar a disponibilidade do meio aofinal de cada timeslot e caso necessario chamar a funcao tx_arbitrate() ondeocorre o sorteio do acesso ao meio. O sorteio e feito atraves da funcao rand()

implementada de [22].

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4.4.2.3 Protocolo de API

O protocolo KISS foi proposto em 1986 por Phil Karn [17] para o seu softwareTCP-IP. Esse protocolo tambem e baseando em frames, sendo que o inıcio e o finalde cada frame e seguido de um caractere especial chamado FEND similar ao flag doHDLC, porem nenhum controle de erro como CRC e implementado.

Se o caractere FEND aparece durante os dados, ele e convertido em dois caracte-res especiais em sequencia, FESC TEND. Assim como se o FESC aparece nos dados,ele e convertido em FESC TFESC. O caractere FEND nao e enviado entre os dadospara garantir a integridade dos frames. Esse protocolo e bastante similar ao SLIP.

Para distinguir comandos de dados, o primeiro byte de cada frame indica o tipode frame que sera. A Tabela 4.1 indica o tipo de frame em funcao do comando.

Tabela 4.1: Tipo de frame do protocolo KISS.

Valor do bit Tipo de Frame Funcao

0x0 DATA FRAME o resto do frame contem dadosa ser passados para o proximo nıvel

0x1 TXDELAY o proximo byte contem o txdelay em 10ms0x2 P o proximo byte contem o parametro ppersistente0x3 TIMESLOT o proximo byte contem o timeslot em 10ms0x4 TXTAIL o proximo byte contem o txtail em 10ms

Esses parametros foram descritos na Secao 4.4.2.2 e podem ser alterados como driver ja carregado atraves do protocolo KISS. A funcao lpmodem_put_char() eresponsavel por realizar a decodificao dos caracteres especiais bem como os macrosADD_CHAR() e ADD_KISSCHAR() por codificar os mesmos. A funcao lpmodem_put

_fend() devera decodificar o comando do protocolo KISS fazendo a alteracao do pa-rametro quando necessario. Por fim as funcoes store_kiss_packet(), ack_packet(),get_packet() e store_packet() fazem a interface com o buffer circular em que osdados vindo desse protocolo sao colocados para serem encapsulados em HDLC. Aquestao do uso do protocolo KISS sera explicada no decorrer desse trabalho naSecao 4.5.

4.4.3 Driver TTY

Como comentado anteriormente a interface do modem PLC sera implementadaem plataforma Linux atraves de um driver TTY. Basicamente o driver TTY devepossuir as seguintes funcoes:

Funcoes de Inicializacao e Finalizacao: Tais funcoes sao chamadas na iniciali-zacao/finalizacao do driver, elas devem alocar memorias para buffers, realizar aconfiguracao default do modem, requisitar a porta paralela, registrar o driver,etc.

Funcao de Ioctl: Essa e a forma basica do usuario modificar a configuracao domodem. Atraves dele devera ser possıvel escrever e ler a configuracao doregistrador interno do ST7538, configurar os parametros do protocolo KISS,etc.

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Funcoes de Escrita: O driver deve receber dados atraves dessas funcoes. Devido aforma que ele esta implementado e necessario que esse dado esteja encapsuladocom o protocolo KISS.

Funcoes de Leitura: Essa e a forma que o driver envia dados para o usuario. Osdados serao enviados utilizando protocolo KISS.

Funcoes de Buffers: Essas funcoes devem responder ao usuario informacoes sobreos buffers, tais como quantos caracteres estao neles ou quanto espaco ha livrepara aceitar novos caracteres.

4.5 Software para Operacao em Rede

A escolha de um driver TTY para o kernel do Linux foi feita especialmentepensando nesta parte do trabalho. Devido a grande utilidade de tais drivers para acomunicacao serial, ja foram desenvolvidos programas de aplicacao que se conectama eles, implementado assim um modem completo.

O programa kissattach faz parte do pacote ax25-util utilizado por radios ama-dores, desenvolvido para funcionar com o kernel do Linux. AX.25 e um protocolopara redes de radio amador, que nesse caso e utilizado para uma rede PLC. Eledeve ter o seu suporte compilado no kernel para que o programa de aplicacao sejasuportado. No caso de um radio amador a comunicacao tambem e half-duplex, ondeo ar e o meio fısico e somente um radio pode falar de cada vez no meio, por essa si-milaridade com a comunicacao PLC tal protocolo tambem sera utilizado no modemPLC.

Atraves desse programa e possıvel emular um ponto IP, utilizando controle defluxo TCP, no computador. Esse programa se conecta a um driver TTY do Linuxutilizando o protocolo KISS. e assim, justifica-se a utilizacao de um driver TTYjuntamente com o protocolo KISS na implementacao do modem. Devido ao fato deque ele utiliza o protocolo TCP-IP, nao precisamos nos preocupar com a questao deenderecamento ou de controle de colisao pois tal protocolo ira descartar pacotes quenao sejam para si e tambem ira se comprometer a retransmitir pacotes perdidos.Assim sera possıvel emular uma placa de rede atraves do modem PLC, porem valeressaltar que a velocidade sera baixa.

Como dito anteriormente, para utilizar o kissattach e necessario ter compiladoo kernel com suporte ao protocolo AX.25, ter instalado a biblioteca ax25 e possuiro pacote de utilidade ax25. Tais pacotes podem ser encontrados em [3]. Inicial-mente deve-se configurar o arquivo /etc/ax25/axports conforme a Figura 4.13.Tal arquivo contem informacoes sobre configuracao do meio fısico como:

name e um identificar para o meio,

callsign contem uma identificacao para radio amador e nao precisa ser alterada,

speed e a velocidade do meio e deve ser setada de acordo com o que o modemsuporta,

paclen e o tamanho maximo do pacote ax25 a ser transmitido,

windows, e o tamanho da janela do protocolo ax25, ou seja, quantos pacotes ele iraenviar anter de receber uma confirmacao,

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Figura 4.13: Configuracao do arquivo /etc/ax25/axports.

description bem e a descricao.

Como o arquivo /etc/ax25/axports configurado e possıvel executar o programada aplicacao. A Figura 4.14 demonstra um exemplo de como executar o programa.Os argumentos sao os seguintes:

Figura 4.14: Utilizando o kissattach.

/dev/ttyPLC e o device associado ao major do driver TTY,

1 identificador que esta no arquivo /etc/ax25/axports,

192.168.0.1 endereco IP.

Apos esses passos, pode-se confirmar a configuracao e o endereco IP utilizando ocomando ifconfig conforme a Figura 4.15. Para verificar o estado do link utilizamoso comando ping conforme a Figura 4.16 Assim podemos afirmar que o kissattach

esta utilizando as funcoes do kernel para empacotar os dados com TCP/IP sobre

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AX.25 e apos sobre KISS. A seguir o driver do Linux e chamado juntamente com asfuncoes de protocolo kiss para se comunicar com as funcoes de protocolo HDLC. Es-sas ultimas funcoes serao chamadas quando as funcoes de CSMA permitirem o acessoao meio. Por fim, apos os dados serem encapsulados em HDLC as funcoes de acessoao hardware sao chamadas passando a informacao para o modem e completando ociclo.

Figura 4.15: Display do ifconfig.

A Figura 4.17 mostra a transmissao para o hardware dos dados encapsuladoscom o protocolo HDLC oriundos do comando ping direcionado para a rede criadacom o programa kissattach. Pode-se perceber a colocacao de flags do HDLC antesdos dados passados para o driver. A Figura 4.18 apresenta a recepcao do frame peloo modem receptor, de forma semalhente a transmissao como deveria ocorrer.

4.6 Protocolo de Comunicacao Leitor-Medidor

De forma a desenvolver um sistema capaz de transmitir informacoes pela redeeletrica, foi necessario definir como a comunicacao entre os dispositivos do sistemaseria realizada. Empresas brasileiras que desenvolvem produtos para essa tecno-logia seguem a norma NBR–14522—Intercambio de Informacoes para Sistemas deMedicao de Energia Eletrica [1]. Essa norma define diversos tipos de comunicacao,tendo sido escolhida inicialmente para implementacao neste projeto a Comuni-cacao Convencional Leitor-Medidor. A seguir, serao explicados os principaisaspectos dessa comunicacao entre os dispositivos e como ela foi implementada.

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Figura 4.16: Modem Funcionando.

Figura 4.17: Transmissao de dados para o modem PLC.

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Figura 4.18: Recepcao de dados pelo o modem PLC.

4.6.1 Caracterısticas da Comunicacao Convencional Leitor-Medidor

A norma utilizada especifica a comunicacao entre dois dispositivos do sistema,leitor e medidor. O medidor e o equipamento comumente utilizado em residenciaspara medir a quantidade de energia consumida. Alem disso, o medidor tambemoferece outras funcionalidades e informacoes, tais como: perıodos de falta de energia,alteracao do horario de verao, alteracao das grandezas dos canais, alteracao da tarifade reativos, dentre outros. Ja o leitor, e o equipamento que entra em contato com omedidor para obter tais informacoes e repassa-las a companhia de energia eletrica.Segundo a norma, a comunicacao ocorre serialmente, a uma taxa de 9600bps, modoassıncrono e bidirecional.

4.6.2 Funcionamento do Protocolo

Inicialmente, tanto o medidor quanto o leitor estao operando isoladamente, semnenhuma comunicacao entre si. A iniciativa de estabelecimento de conexao partedo leitor. Para tanto, esse dispositivo deve colocar a saıda serial no estado logico’1’ e aguardar a resposta do medidor. Para que o medidor detecte a tentativa deconexao, ele deve perceber a linha de comunicacao em estado logico ’1’ durante umsegundo, e so entao enviar um retorno ao leitor.

O fluxo de dados no protocolo se faz por meio de comandos e respostas. O blococomando e sempre enviado pelo leitor e o bloco resposta pelo medidor. Estabelecidaa conexao, o medidor aguarda o comando enviado pelo leitor, processa e envia areposta ao comando para o leitor. O protocolo preve ainda a existencia de bytessinalizadores na comunicacao:

ACK: transmitido sempre pelo Leitor apos o recebimento de uma resposta ao co-

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mando enviado.

NAK: enviado sempre que um bloco de bytes foi recebido com erro de verificacao(CRC16). O dispositivo que recebe um byte de NAK deve retransmitir o ultimobloco de dados. O numero maximo de NAK a um mesmo bloco de dados e sete.

WAIT: utilizado para provocar um atraso de sequencia na comunicacao. O numeromaximo de WAIT a um mesmo bloco de dados e sete, e o numero maximo derepeticoes de um mesmo comando e sete.

ENQ: enviado apenas pelo medidor para sincronizar a comunicacao.

Os fluxogramas apresentados nas Figuras 4.19 e 4.20 mostram a logica de funci-onamento da comunicacao.

4.6.3 Implementacao do Protocolo

O protocolo para a comunicacao entre os dispositivos foi implementado utilizado-se a linguagem de programacao C++. Foram criados dois programas, um paraemular o funcionamento do leitor e outro do medidor. Segundo a especificacao, oleitor deve colocar a linha em estado logico ’1’ para iniciar a comunicacao. Paratanto, foi utilizada a funcao tcsendbreak(), onde tambem se configura o tempo deduracao desse estado. O medidor percebe a sinalizacao do sinal de break quandorecebe tres caracteres: 0xFF, ’\0’ e ’\0’.

Um grande problema encontrado foi fazer com que a comunicacao transcorressenormalmente apos o estabelecimento da conexao. De acordo com a especificacao,se houver um intervalo de tempo de 100 ms sem que sejam recebidos bytes pelaporta serial, fica caracterizada a desconexao dos dispositivos. Apesar de a veloci-dade utilizada na comunicacao ser bastante alta para essa limitacao, a forma comoestava implementada a recepcao de dados nao detectava corretamente quantos bytesestavam disponıveis na serial e a funcao acabava retornando timeout da operacao.A solucao encontrada foi utilizar a funcao select() aliada a funcao ioctl(). Aprimeira indica a existencia de dados na porta serial enquanto a segunda indica aquantidade de bytes disponıveis para leitura.

O sistema possui tres principais classes: a classe Communication, a classe leitore a classe medidor. A Figura 4.21 apresenta o diagrama de classes da implementacaodo protocolo NBR–14522.

A classe Communication engloba todas as constantes, tipos de dados e funcoesrelacionadas a comunicacao entre os dispositivos do sistema. Por essa razao, outrasclasses sao derivadas da classe Communication, como a CommSerial, CommUDP e aCommPLC. As funcoes membro da classe Communication sao:

send(): responsavel pela transmissao de dados

receive(): responsavel pela recepcao de dados

setFD(): utilizada para definir a porta de comunicacao

getFD(): retorna a porta de comunicacao utilizada

setTimeout(): utilizada para definir o tempo de timeout na recepcao de dados

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Figura 4.19: Funcionamento da comunicacao do ponto de vista do leitor.

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Figura 4.20: Funcionamento da comunicacao do ponto de vista do medidor.

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Figura 4.21: Diagrama de classes da implementacao do protocolo NBR-14522.

getTimeout(): retorna o tempo de timeout para a recepcao de dados.

Algumas funcoes, como as de recepcao e transmissao de dados, sao virtuais naclasse base (Communication), sendo implementadas nas classes derivadas de formaespecıfica para cada tipo de comunicacao. A comunicacao via Ethernet (implemen-tada atraves da classe CommUDP) foi realizada apenas para estudo e validacao daestrutura de dados e organizacao das classes do sistema.

Por outro lado, a classe que define a comunicacao atraves da porta serial (Comm-Serial), foi implementada seguindo as especificacoes da norma NBR–14522 paraa recepcao e transmissao de dados entre os dispositivos leitor e medidor. O funci-onamento da comunicacao entre esses dispositivos esta implementado na forma demaquinas de estados finitos que fazem parte das classes leitor e medidor.

4.6.4 Conclusao

No desenvolvimento do software a escolha dos protocolos para a comunicacaoPLC foi adequada, tendo em vista que mesmo com a grande quantidade de ruıdo narede eletrica a comunicacao ocorre sem maiores problemas. O protocolo HDLC, como conceito de frames, bit-stuffing, e CRC permite a eliminacao de pacotes errados eo protocolo TCP/IP e responsavel por retransmitir tais pacotes, bem como cuidardo enderecamento. O controle de acesso ao meio CSMA p-persistente se mostrouuma boa alternativa para uma rede PLC.

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5 QUADRO DE MEDICAO NO DELET/UFRGS

Este capıtulo descreve os experimentos realizados com um quadro de medicao deenergia eletrica da Divisao de Teleinformatica da UFRGS, emprestado ao DELETpara realizacao de testes de operacao.

O quadro contem os seguintes equipamentos:

1. Medidor Nansen Spectrun FX

2. Registrador de Pulsos Analo

3. Bridge CTCU ET10A

4. Disjuntor

Idealmente, os dados do medidor seriam armazenados no registrador de pulsos epoderiam ser acessados atraves de uma conexao Ethernet por intermedio da bridge.No entanto, como mostrado nos capıtulos seguintes, o quadro apresentava diversosproblemas de cabeamento e de equipamentos inadequados, de forma que a operacaopretendida era impossıvel.

5.1 Medidor Nansen Spectrum FX

O medidor Spectrum FX, mostrado na Figura 5.1 e um medidor de energia ele-trica multifuncao totalmente eletronico desenvolvido pela Nansen S.A. Instrumentosde Precisao [20]. Este medidor pode ser adquirido em varias versoes, desde um sim-ples medidor de energia ativa e demanda maxima ate uma complexa plataforma demedicao, envolvendo tarifacao com diferentes postos horarios, medicao em quatroquadrantes e armazenamento em memoria de massa.

Os medidores da linha Spectrum possam ser fornecidos com diversos perifericos:

1. Ethernet

2. mostrador remoto

3. RS485

4. RS232 com protocolos monoponto ou multiponto

5. saıda serial para o consumidor

6. KYZ

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Figura 5.1: Medidor Nansen Spectrun FX.

Todas as versoes do Spectrum S sao preparadas para medir os valores de tensao,corrente e angulo de fase de cada uma das fases separadamente, frequencia, po-tencia instantanea total, presenca de tensao nas fases instantaneamente e distorcaoharmonica.

A linha Spectrum S oferece quatro tipos de medidores:

Spectrum S DAR: Mede energia ativa, reativa e demanda maxima;

Spectrum S DAT- R: Mede energia ativa e reativa; demandas maximas ativae reativa, porem em diferentes postos horarios, possibilitando o calculo deUFER/DMCR para utilizacao da tarifa brasileira;

Spectrum S X: Possui todas as funcoes do Spectrum S DAT-R incluindo-se a me-moria de massa para armazenamento dos registros;

Spectrum S FX: Tem as mesmas funcoes do Spectrum S X, porem permite oregistro de energia de fluxo bidirecional cobrindo-se os quatro quadrantes demedicao.

Embora os medidores Spectrum possam ser fornecido ja com interfaces seriais ouEthernet, o equipamento montado no quadro disponibilizado para o DELET possuiapenas saıda de pulsos, sendo utilizado um registrador de pulsos para acesso aosdados de medicao.

5.2 Registrador de Pulsos Analo

O registrador de pulsos e o equipamento que registra as informacoes de consumode energia eletrica fornecidas pelos medidores digitais de energia eletrica. A principalfuncao do registrador de pulos e disponibilizar ao sistema supervisorio as mesmas

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informacoes de consumo utilizadas pela concessionaria no calculo das faturas deenergia eletrica. A partir dessas informacoes, o sistema supervisorio e capaz degerenciar a demanda instantanea da instalacao, detectar problemas de ultrapassagemde demanda e de baixo fator de potencia, alem de identificar oportunidades dereducao do custo medio da energia atraves do reenquadramento tarifario.

O registrador de pulsos Analo, mostrado na Figura 5.2 possui uma saıda serialque pode ser configurada (atraves de jumpers no conector) para operar como RS232ou RS485, em ambos os modos, e utilizado o protocolo MODBUS/RTU.

Figura 5.2: Registrador de pulsos Analo.

A adocao do protocolo de comunicacao aberto MODBUS/RTU expande bastanteas possibilidades de aplicacao do registrador de pulsos, uma vez que esse protocoloe vastamente utilizado em sistemas automatizados comerciais e industriais. Alemdisso, o fato do protocolo MODBUS/RTU ser de domınio publico elimina qualquerpossibilidade de dependencia tecnologica a exemplo do que ocorre com os protocolosproprietarios.

5.2.1 Conexao ao Medidor

A conexao do registrador de pulsos com o medidor de energia da eletrica e opti-camente isolada. Um transmissor de infravermelho, localizado na tomada, envia asinformacoes de consumo para um receptor optico, localizado no plug. A tomada e oplug utilizados no acoplamento optico do par emissor/receptor de infravermelho saomostrados na Figura 5.2.1.

Tanto a tomada quanto o plug possuem quatro furos. Na tomada, sao aproveita-dos dois furos, um para o emissor de infravermelho e outro, diametralmente oposto,para o LED vermelho utilizado para indicar o funcionamento da saıda de usuario domedidor, uma vez que a radiacao infravermelha e invisıvel.

O cabo do plug de acoplamento optico deve ser conectado a uma das quatroentrada do registrador de pulsos respeitando a polaridade indicada no proprio equi-pamento. Assim que o registrador estiver ligado e o plug acoplado a tomada optica,o LED do canal respectivo devera piscar seguindo o mesmo padrao do trem de pulsosenviado pelo medidor.

E importante observar que na montagem do quadro disponibilizado para ao DE-

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Figura 5.3: Tomada e plug do acomplamento optico.

LET, o cabo de acoplamento optico entre medidor e registrador de pulsos estavaconectado com polaridade invertida no medidor. Com isto, nao era possıvel ocorrera comunicacao entre o medidor e o registrador de pulsos. Apos a correcao desteproblema a comunicacao ocorreu sem problemas.

5.2.2 Conexao Serial

O intertravamento entre as portas RS232 e RS485 e efetuado pelo proprio caboserial, atraves de jumpers no conector macho. Portanto, o cabo serial nao e padrao,devendo obedecer a um esquema de ligacao especıfico.

O Apendice D mostra o cabo fornecido com o quadro disponibilizado para oDELET. Como mostrado na figura, o registrador de pulsos emula um DCE, emboraos sinais de controle funcionem como em um DTE. Adicionalmente, a pinagem destecabo e adequada para conectar o registrador de pulsos a um DCE, embora o conectoresteja invertido (isto e, seja femea, quando deveria ser macho). O Apendice E mostrao adaptador necessario para conectar o cabo do Apendice D a um DCE ou a umDTE por intermedio de um cabo null-modem, mostrado no Apendice F.

O cabeamento descrito acima preserva os cabos fornecidos originalmente com oquadro de medicao. No entanto, se forem montados novos cabos, e possıvel fazera conexao do medidor com um computador (DTE) de forma mais simples. NoApendice G sao mostrados os cabos para conexao direta do registrador de pulsoscom um DTE que utilize conector DB9 ou DB25. Da mesma forma, no Apendice Hsao mostrados os cabos para conexao direta do registrador de pulsos a um DCE queutiliza conector DB9 ou DB25.

Sempre que o cabo serial for conectado a porta RS232 do equipamento, a portaRS485 sera desabilitada automaticamente, caso contrario o registrador de pulsospoderia interferir na operacao normal de uma rede MODBUS conectada a portaRS485.

A configuracao de fabrica do registrador de pulsos e endereco MODBUS 1 e taxade comunicacao da porta RS485 de 115.200 bits/s.

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5.3 Bridge CTCU ET10A

O quadro de medicao disponibilizado para o DELET inclui uma bridge CTCUET10A [11], mostrada na Figura 5.3 para converter os sinais RS232 disponibilizadospelo registrador de pulsos em Ethernet.

Figura 5.4: Bridge CTCU ET10A.

Conforme o manual, esta bridge deveria aceitar no lado RS232 pacotes PPPsegundo a RFC1662. No entanto, e implementada apenas a camada HDLC daRF1662, a negociacao de enlace do PPP nao e implementada. Assim, a bridge seriaadequada apenas para conexoes entre bridges semelhantes, ou seja, para conectarpor uma linha serial dois segmentos Ethernet, como mostra a Figura 5.3, e nao paraencapsular dados recebidos para interface RS232 em pactotes Ethernet, como seriadesejado.

Por outro lado, o registrador de pulsos envia os dados encapsulados utilizando oprotocolo MODBUS e nao o protocolo PPP ou HDLC. Assim, tambem por este mo-tivo seria impossıvel utilizar a bridge ET10A para transmitir os dados do registradorde pulsos em uma conexao Ethernet.

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Figura 5.5: Conexao de segmentos Ethernet atraves da bridge ET10A.

5.4 Conversor Moxa DE–211

Tendo em vista a inadequacao da bridge ET10A para acessar o registrador depulsos atraves de uma conexao Ethernet, foi adquirido um conversor Serial/EthernetMoxa DE–211 [24], como mostrado na Figura 5.4.

Quando configurado para funcionar com interface RS232, o conversor Moxa DE–211 comporta-se como um DCE. E importante ressaltar que na documentacao [23]a descricao dos sinais no conector serial nao obedece a norma RS232. No entanto,os sinais efetivamente correspondem aos sinais RS232 de um DCE.

O conversor DE–211 pode operar utilizando os protocolos UDP e TCP, nos mo-dos servidor e cliente. Como o registrador de pulsos comporta-se como um escravoMODBUS, o conversor DE–211 foi configurado para funcionar no modo TCP comoservidor. Assim, para acessar o registrador de pulsos o PC deve enviar uma soli-citacao MODBUS encapsulada em TCP para o endereco do conversor DE–211. Oconversor a seguir desencapsula a solicitacao MODBUS e transmite-a pela portaserial. O registrador de pulsos recebe a requisicao e envia a resposta que e recebidapela porta serial do DE–211. O DE–211 entao encapsula a resposta MODBUS emTCP e envia para o PC. Assim, o PC recebe os pacotes MODBUS encapsulados emTCP.

5.5 Comunicacao por MODBUS

Para acessar os dados do registrador de pulsos atraves do protocolo MODBUS, foiimplementada uma biblioteca de classes em C++. A Figura 5.5 mostra a hierarquiade classes desenvolvida para abstrair o barramento MODBUS.

As seguintes classes estao disponıveis:

MODBUS para representar o barramento MODBUS como um todo

MODBUS_CHANNEL para representar os canais de comunicacao sobre os quais o proto-colo MODBUS pode operar

MODBUS_DEVICE para representar os dispositivos no barramento MODBUS

MODBUS_SERIAL para representar o canal de comunicacao serial

MODBUS_TCP para representar o canal de comunicacao utilizando o protocolo TCP

MODBUS_MASTER para representar dispositivos MODBUS que atuam como mestre

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Figura 5.6: Conversor Moxa DE–211.

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Figura 5.7: Diagrama de classes para a classe MODBUS.

MODBUS_SLAVE para representar dispositivos MODBUS que atuam como escravo

PULSEREG para representar um registrador de pulsos generico

ANALO para representar o registrador de pulsos Analo

DVME para representar um medidor de energia eletrica generico

NANSEN_FX para representar o medidor de energia eletrica Nansen FX

MASSPACK para representar o pacote de dados de massa

Para o tratamento de erros atraves de excessoes, foram implementadas as classesmostradas na Figura 5.5.

As classes para tratamento de erro sao utilizadas para representar os seguinteserros:

MODBUS::ERROR erro generico

MODBUS_CHANNEL::ERROR erro generico no canal de comunicacao

MODBUS_DEVICE::ERROR erro generico no dispositivo MODBUS

MODBUS_SERIAL::ERROR erro generico no canal de comunicacao serial

MODBUS_TCP::ERROR erro generico no canal de comunicacao via TCP

MODBUS_DEVICE::BAD_CRC erro de CRC no dispositivo MODBUS

MODBUS_SERIAL::OPEN_ERROR erro na abertura do canal de comunicacao serial

MODBUS_SERIAL::READ_ERROR erro na leitura do canal de comunicacao serial

MODBUS_SERIAL::WRITE_ERROR erro na escrita no canal de comunicacao serial

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Figura 5.8: Diagrama de classes para a classe MODBUS::ERROR.

MODBUS_TCP::OPEN_ERROR erro na abertura do canal de comunicacao via TCP

MODBUS_TCP::READ_ERROR erro na leitura do canal de comunicacao via TCP

MODBUS_TCP::WRITE_ERROR erro na escrita no canal de comunicacao via TCP

MODBUS_SLAVE::ERROR_ERROR erro generico no escravo MODBUS

MODBUS_SLAVE::EXCEPTION_ERROR erro no escravo modbus que gera uma excessaoMODBUS

5.6 Conclusoes

Neste capıtulo foi analisado o funcionamento dos equipamentos existentes emum quadro de medicao de energia eletrica da Divisao de Teleinformatica da UFRGSdisponibilizado para o DELET. A adequacao dos equipamentos para o proposito deleitura do medidor atraves da Internet foi discutida e alteracoes sugeridas, principal-mente com relacao a substituicao da bridge ET10A por um conversor serial/Ethernet.

Para leitura do registrador de pulsos foi implementado o protocolo MODBUSem C++, possibilitando o acesso atraves de um canal serial ou atraves do protocoloTCP. A estruturacao do software em classes possibilita a extensao do sistema parainclusao de outros canais de comunicacao.

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6 ACESSO AOS MEDIDORES VIA WEB

De forma a visualizar a comunicacao entre os dispositivos do sistema, esta sendodesenvolvida uma aplicacao via Word-Wide-Web na qual o usuario pode escolher ocomando a ser transmitido e fazer as configuracoes necessarias. O objetivo e poderrealizar a comunicacao a partir de qualquer computador com acesso a Internet,assim:

• Os medidores estao conectados atraves de PLC com computador que imple-menta o protocolo do leitor e executa um servidor HTTP.

• A partir de qualquer computador conectado a Internet, o usuario pode acessara pagina WWW do sistema e escolher um medidor, ou grupo de medidores eexecutar remotamente comandos nestes medidores, eventualmente recebendodados de resposta.

• O servidor HTTP recebe os comandos atraves de um programa CGI, quecomunica-se com os medidores via PLC e retorna os dados para o usuario.

• O resultado dos comandos e apresentado ao usuario na pagina <http://www.

ece.ufrgs.br/~fetter/plc/query>.

A figura 6 mostra a interface com o usuario, onde se pode ver a planta doquarteirao do predio do Departamento de Engenharia Eletrica e os medidoresexistentes.

Ao se clicar em um dos medidores, e feita uma consulta via PLC ao medidore as leituras obtidas sao mostradas na interface web, com mostra a figura 6.

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Figura 6.1: Interface web.

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Figura 6.2: Leitura do medidor obtida via PLC.

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7 CONCLUSOES

Este trabalho apresentou um estudo sobre tecnologias de comunicacao pela redeeletrica realizando a implementacao de um sistema de telemetria com base em mo-dems PLC. Por ser uma tecnologia relativamente nova, ainda nao existem muitosestudos sobre a utilizacao da mesma nas redes eletricas brasileiras.

O sistema implementado permitiu o teste conjunto de diversos protocolos de co-municacao que, a princıpio, nao foram concebidos para serem utilizado em conjuntoe nem utilizando PLC. Apesar disto, foi possıvel implementar o sistema desejado.

Um dos principais problemas da transmissao de informacao pela rede eletricae a variacao nas transmissoes de dados. Os experimentos mostraram que mesmoutilizando modems ligados juntos em uma mesma tomada, as taxas de transmis-sao apresentaram uma grande variabilidade. Isso e uma caracterıstica que podeatrapalhar o uso da tecnologia em aplicacoes em tempo real.

Outro problema encontrado foi a falta de informacao e acesso as plantas doscircuitos eletricos dos ambientes de testes. Considera-se que este nao e um problemalocalizado e que a maioria dos predios brasileiros esta nesta situacao (as plantaseletricas, ou nao se encontram disponıveis, ou nao mais correspondem a instalacaoeletrica existente).

Pode-se constatar a grande influencia negativa que o ruıdo da rede e a distanciaentre os pontos de comunicacao tem sobre as taxas de transmissao pela rede eletrica.Um interessante trabalho a ser realizado e uma avaliacao mais ampla dos parame-tros de comunicacao de dados. Relacoes como numero de pacotes (bytes) enviados,perdidos e retransmitidos versus distancia podem gerar uma melhor caracterizacaoda comunicacao PLC. Alem disso, a realizacao de testes em redes eletricas espe-ciais onde seja possıvel controlar o nıvel de ruıdo presente na comunicacao seriafundamental para este tipo de analise.

7.1 Desdobramentos do Projeto

Alem dos resultados previstos inicialmente e discutidos nos capıtulos anteriores,este projeto serviu como ponto de partida para outros projetos sendo desenvolvidosou em processo de contratacao pela CEEE e UFRGS, entre eles:

• CEEE/UFRGS/PROCEMPA/CETA/SENAI — Restinga

• CEEE/UFRGS P&D 2006/2007 — Backbone

• Projeto de Regulamentacao ANEEL

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7.1.1 Projeto CEEE/UFRGS — Restinga

Este projeto esta sendo desenvolvido em conjunto pela CEEE, UFRGS, CETA/SENAIe PROCEMPA para implantacao de uma ilha digital no bairro da Restinga, emPorto Alegre. Por tratar-se de uma comunidade carente, os provedores tradicionaisde servicos de comunicacao digital nao tem interesse em explorar o servico nestaregiao. Assim, atraves desta parceria se esta levando o servico de Internet ao Postode Saude, ao Centro Regional e a Escola, disponibilizando servicos de VoIP, e umQuisque da CEEE.

A conexao e realizada utilizando-se a fibra optica que CEEE possui ate a subes-tacao que alimenta esta regiao da cidade e de la a conexao aos pontos de interessee realizada por PLC. A PROCEMPA atua como provedor de servicos Internet e oCETA/SENAI aticulou o financiamento junta a Secretaria de Ciencia e Tecnologiado Estado para implementar o sistema.

A equipe que implantou o sistem e formada por varios membros que tiveram oprimeiro contato com a tecnologia PLC atraves deste projeto de telemedicao.

7.1.2 CEEE/UFRGS — Backbone

No ciclo 2006/2007 do Programa de P&D da CEEE foi aprovado um outro pro-jeto da UFRGS envolvendo tecnologia PLC. Desta vez o objetivo e implementar umbackbone experimental utilizando PLC na sede administrativa da CEEE, CAENMF.Os objetivos deste projeto incluem testar os protocolos IPv4, IPv6, MODBUS eDNP3 operando sobre PLC e verificar a interoperacao e cooperacao de tecnologiase fabricantes distintos.

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REFERENCIAS

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//www.ece.ufrgs.br/~fetter/plc/TrabalhoConclusaoAlessandra.pdf>.

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APENDICE A UTILIZACAO DO CD-ROM

O CD-ROM que acompanha este relatorio contem uma copia digital dos docu-mentos gerados pelo projeto (incluindo este relatorio), dos arquivos de projeto dohardware e o codigo fonte do software. Para acesso a documentacao contida no CD-ROM basta utilizar um browser e abrir o arquivo index.html que se encontra nodiretorio raiz.

Os arquivo tambem podem ser acessados diretamente no CD-ROM. A estuturade diretorios e a seguinte:

doc: Relatorios, dissertacoes, e apresentacoes

img: Figuras e vıdeos

query: Pagina HTML para consulta aos medidores instalados no DELET

sch: Arquivos de projeto do hardware

*.sch: Esquematicos do hardware no formato do gEDA [12]

*.pcb: Layout da placa de circuito impresso no formado do PCB [25]

*.gbr, *.drc, *.cnc: Arquivos Gerber para fabricacao da placa de circuitoimpresso

*.bom, *.cvs, *.bpp: Arquivos ASCII com a lista de material para montagemdo modem PLC

*.ps: Arquivos PostScript para impressao dos esquematicos e do layout daplaca de circuito impresso

src: Codigo fonte do software

analotst: Programa para da leitura do registrador de pulsos Analo utilizandoo protocolo MODBUS, com interface pelo console

analoweb: Programa para da leitura do registrador de pulsos Analo utilzandoo protocolo MODBUS, com interface Web

comunica: Programa para teste da comunicacao utilizando o protocolo NBR-14522

doc: Arquivos para geracao automatica da documentacao do software

html: Documentacao do software gerada automaticamente

driver: Driver do modem PLC

100

include: Arquivos de cabecalho

lib: Bibliotecas

meter: Programa que emula um medidor utilizando o protocolo NBR-14522

reader: Programa para leitura de medidores utilizando o protocolo NBR-14522, com interface pelo console

reader-cgi: Programa para leitura da medidores utilizando o protocolo NBR-14522, com interface Web

test: Programas para teste do hardware do modem PLC

Para compilacao do software, cada diretorio com os arquivos fonte possui umMakefile. Assim, para compilar todo o software basta entrar no diretorio src edigitar make

101

APENDICE B DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DO MO-DEM PLC

105

APENDICE C ARTE FINAL DO PCB DO MODEM PLC

111

APENDICE D DIAGRAMA ESQUEMATICO DO CABODE CONEXAO SERIAL DO MEDIDOR ANALO

115

APENDICE E DIAGRAMA ESQUEMATICO DO ADAP-TADOR PARA CABO DE CONEXAO SERIAL DO MEDI-DOR ANALO

119

APENDICE F DIAGRAMA ESQUEMATICO DO CABONULL-MODEM COM DB9

123

APENDICE G DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DOS CA-BOS DE CONEXAO SERIAL DO MEDIDOR ANALO COMUM DTE

129

APENDICE H DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DOS CA-BOS DE CONEXAO SERIAL DO MEDIDOR ANALO COMUM DCE

comunicac˘a~o de dados atraves da rede eletricafetter/plc/relfin.pdf6/2002 do programa de p&d...

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