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Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica

Mateus Rodrigues de Almeida

Sistema de Transmissão de Dados para LugaresRemotos: Análise de Soluções e um Estudo de Caso

com Modem GPRS

Londrina

2015

Universidade Estadual de Londrina

Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica


Sistema de Transmissão de Dados para Lugares Remotos:Análise de Soluções e um Estudo de Caso com Modem GPRS

Trabalho de Conclusão de Curso orientado pelo Prof. Dr. José Alexandrede França intitulado “Sistema de Transmissão de Dados para Lugares Re-motos: Análise de Soluções e um Estudo de Caso com Modem GPRS” eapresentado à Universidade Estadual de Londrina, como parte dos requi-sitos necessários para a obtenção do Título de Bacharel em EngenhariaElétrica.

Orientador: Prof. Dr. José Alexandre de França

Londrina

2015

Ficha Catalográfica

Mateus Rodrigues de AlmeidaSistema de Transmissão de Dados para Lugares Remotos: Análise de Soluções e umEstudo de Caso com Modem GPRS - Londrina, 2015 - 101 p., 30 cm.Orientador: Prof. Dr. José Alexandre de França1. Modem. 2. GPRS. 3. Transmissão de Dados.I. Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétrica. II. Sistema deTransmissão de Dados para Lugares Remotos: Análise de Soluções e um Estudo deCaso com Modem GPRS.


Sistema de Transmissão de Dados para LugaresRemotos: Análise de Soluções e um Estudo de Caso

com Modem GPRS

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de En-genharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina, comorequisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Enge-nharia Elétrica.

Comissão Examinadora

Prof. Dr. José Alexandre de FrançaUniversidade Estadual de Londrina

Orientador

Profa. Dra. Maria Bernadete de Morais FrançaUniversidade Estadual de Londrina

Profa. Ms. Juliani Chico PiaiUniversidade Estadual de Londrina

Londrina, 28 de fevereiro de 2016

Dedico este trabalho aos meus pais João de Almeida e Divina Tereza Rodrigues Almeida, quesão os responsáveis pela minha chegada até aqui.

Agradecimentos

Agradeço a Deus, aos meus pais, a minha noiva, aos professores do curso e a todos oscolegas do laboratório LA2I, especialmente ao Joelmir José Lopes e ao Giancarlo Gaeta pelaajuda incondicional no desenvolvimento deste projeto.

“Eu não falhei, encontrei 10 mil soluções que não davam certo.”(Thomas Alva Edison)

Mateus Rodrigues de Almeida. 2015. 101 p. Trabalho de Conclusão de Curso em EngenhariaElétrica - Universidade Estadual de Londrina, Londrina.

ResumoSistemas de monitoramento e aquisição de dados presentes em locais de difícil acesso necessitamde algum meio para se comunicar com o ambiente de recepção. Normalmente nestes locaisnão estão presentes recursos como, por exemplo, a rede de energia elétrica e de telefonia, nestecaso o sistema precisa ser independente destes fatores e utilizar algum método de comunicaçãosem fio que possibilite a comunicação. Um método vantajoso e eficaz é o de utilizar o sistemaGPRS para a transmissão dos dados, isso se faz utilizando um módulo GSM/GPRS, o qualpossui funcionalidades semelhantes à de um telefone celular. Em contrapartida, sua aplicaçãoexige algumas rotinas de gerenciamento para a transmissão dos dados, sendo essas rotinasrelativamente complexas, exigindo boa parte de tempo e processamento do sistema que o utiliza.Desenvolveu-se então uma placa eletrônica de um modem com um sistema de gerenciamentointegrado, proporcionando um controle independente e dedicado ao módulo GPRS, desta formanão se faz necessário o uso de processamento do sistema para a transmissão, otimizando assim oprocesso de monitoramento e aquisição.

Palavras-Chave: 1. Modem. 2. GPRS. 3. Transmissão de Dados.

Data Transmission System for Remote Places: Analysis of Solutions and a Case Study withGPRS Modem. 2015. 101 p. Monograph in Electrical Engineering - Londrina State University,Londrina.

AbstractMonitoring systems and data acquisition are found in hard to reach places, needing some meansfor communicating with reception environment. Usually these places don’t have resources likeelectricity network and telephony services, this way the system needs to be independent ofany of these resources and utilize some method of wireless communication. An advantageousand effective method is to use the GPRS system for transmission of data, through the use ofa GSM / GPRS module, which has similar applications to a mobile phone. On the other hand,its application requires some management routines for data transmission, these routines arerelatively complex, requiring much time and processing system that uses it. Thinking about it,has developed an electronic board of a modem with an integrated management system, providingan independent and dedicated to GPRS control module, consequently it isn’t necessary to usethe system processing for transmission while optimizing the process of monitoring and dataacquisition.

Key-words: 1. Modem 2. GPRS. 3. Data Transmission.

Lista de figuras

Figura 1 – Composição básica de um sistema celular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Figura 2 – Reutilização de Frequência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Figura 3 – Geometria padrão hexagonal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Figura 4 – Interação da ERB com EMs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Figura 5 – Enlaces direto e reverso em comunicação móvel. . . . . . . . . . . . . . . . 9Figura 6 – Interação de CCCs com ERBs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Figura 7 – Evolução da Telefonia Móvel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Figura 8 – Um exemplo de comutação por circuitos em uma ligação telefônica. . . . . 13Figura 9 – Um exemplo de comutação por pacotes em uma transmissão de dados. . . . 14Figura 10 – Elementos básicos da arquitetura GSM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Figura 11 – Alocação na frequência e no tempo GSM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Figura 12 – Principais Operadoras atuantes no Brasil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Figura 13 – Arquitetura rede GSM + GPRS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Figura 14 – Comportamento do sinal em obstáculos físicos. . . . . . . . . . . . . . . . 24Figura 15 – Repetidor Celular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Figura 16 – Usuário utilizando antena externa conectada ao aparelho móvel. . . . . . . . 26Figura 17 – Antena Yagi para Celular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Figura 18 – Sistema básico de antena externa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Figura 19 – Ilustração de um sistema de enlace de rádio. . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Figura 20 – Esquema básico de telemetria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Figura 21 – Exemplo de tráfego de dados M2M. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 22 – Chip SIM Card - M2M da operadora Vivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 23 – Módulo GSM/GPRS GC864 QUAD - V2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Figura 24 – Microcontrolador MC9S08JM32. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 25 – Memória 24LC1025. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Figura 26 – Regulador de Tensão Chaveado L5972D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Figura 27 – Regulador de Tensão Linear LP2981. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 28 – Diagrama de Blocos do Smart Modem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Figura 29 – Gráfico da corrente drenada pelo GC864 QUAD - V2, gerado no Matlab. . . 42Figura 30 – Circuito do Regulador de Tensão gerado pela STMicroelectronics c©. . . . . . 43Figura 31 – Esquemático do circuito do regulador de tensão L5973D no Proteus. . . . . 44Figura 32 – Esquemático do circuito do regulador de tensão LP2981 no Proteus. . . . . 45Figura 33 – Esquemático do circuito do MC9S08JM32 no Proteus. . . . . . . . . . . . . 46Figura 34 – Esquemático do circuito do 24LC1025 no Proteus. . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 35 – Esquemático do circuito do GC864 QUAD - V2 no Proteus. . . . . . . . . . 49

Figura 36 – Esquemático da interface de dados no Proteus. . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 37 – Esquemático da interface de depuração no Proteus. . . . . . . . . . . . . . 51Figura 38 – Esquemático da interface de extensão no Proteus. . . . . . . . . . . . . . . 52Figura 39 – Exemplos de Componentes SMD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Figura 40 – Distribuição dos componentes na placa - footprint. . . . . . . . . . . . . . . 55Figura 41 – Planos de terra: o terra digital e o terra analógico. . . . . . . . . . . . . . . 56Figura 42 – Prévia da placa em 3D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figura 43 – Interrupções da Interface Serial UART. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Figura 44 – Fluxograma da Interrupção de Entrada Serial. . . . . . . . . . . . . . . . . 61Figura 45 – Fluxograma da Interrupção de Saída Serial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Figura 46 – Representação em Blocos da Memória 24LC1025. . . . . . . . . . . . . . . 63Figura 47 – Mapeamento da Memória 24LC1025 para o Smart Modem. . . . . . . . . . 63Figura 48 – Fluxograma da Operação de Gravação na Memória. . . . . . . . . . . . . . 64Figura 49 – Fluxograma da Operação de Leitura na Memória. . . . . . . . . . . . . . . 65Figura 50 – Diagrama de Blocos do Fluxo de Dados do Smart Modem. . . . . . . . . . 66Figura 51 – Representação de um Processo Multitarefas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Figura 52 – Diagrama de Estados Genérico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Figura 53 – Diagrama de Estados para Recepção e Armazenamento dos Dados. . . . . . 69Figura 54 – Diagrama de Estados para Transmissão dos Dados. . . . . . . . . . . . . . 72Figura 55 – LED’s de Sinalização. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Figura 56 – Interface de Configuração do Smart Modem - Configurações Gerais. . . . . 85Figura 57 – Interface de Configuração do Smart Modem - Configurações de Transmissão. 86Figura 58 – Conversor Serial/USB LA2I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Figura 59 – Interface de Configuração do Smart Modem - Porta Serial. . . . . . . . . . 87Figura 60 – Níveis de Sinal de Recepção. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Figura 61 – Imagem real do Smart Modem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Figura 62 – Erro na Escolha dos Pinos do Microcontrolador para o “BDM”. . . . . . . . 90Figura 63 – Erro no Arranjo dos Pinos no Conector “DATA”. . . . . . . . . . . . . . . . 90Figura 64 – Configurações para o envio de dados pelo Smart Modem (aba “Geral”). . . . 91Figura 65 – Configurações para o envio de dados pelo Smart Modem (aba “Transmissão”). 92Figura 66 – Comunicação com o Smart Modem através do terminal X-CTU. . . . . . . 93Figura 67 – Depuração do Envio dos Dados através do terminal X-CTU. . . . . . . . . . 94

Lista de tabelas

Tabela 1 – Características dos sistemas móveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Tabela 2 – Frequências de Operação GSM em MHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Tabela 3 – Frequências das operadoras para GSM/GPRS. . . . . . . . . . . . . . . . . 20Tabela 4 – Número de municípios com atendimento celular por operadora segundo a

Anatel (Dezembro de 2015). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Tabela 5 – Dados de projeto para o circuito do L5973D. . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Tabela 6 – Lista de componentes para o circuito do L5973D. . . . . . . . . . . . . . . 44Tabela 7 – Lista de componentes para o circuito do LP2981. . . . . . . . . . . . . . . 45Tabela 8 – Lista de componentes para o circuito do MC9S08JM32. . . . . . . . . . . . 47Tabela 9 – Lista de componentes para o circuito do 24LC1025. . . . . . . . . . . . . . 48Tabela 10 – Níveis de Tensão na Interface Serial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Tabela 11 – Lista de componentes para o circuito do GC864 QUAD - V2. . . . . . . . . 50Tabela 12 – Lista completa de componentes utilizados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Tabela 13 – LED de Status Vermelho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Tabela 14 – LED de Status Azul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Tabela 15 – LED de Status Amarelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Tabela 16 – Controle de Fluxo por Hardware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Tabela 17 – Níveis de Sinal em dBm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Tabela 18 – Valores em R$ de mensalidade dos planos de dados. . . . . . . . . . . . . . 95

Lista de abreviaturas e siglas

1G Primeira Geração de Telefonia Móvel

2G Segunda Geração de Telefonia Móvel

3G Terceira Geração de Telefonia Móvel

A/D Conversor Analógico/Digital

AMPS Advanced Mobile Phone System

APN Access Point Name

ARFCN Absolute Radio Frequency Channel Number

AUC Authentication Center

BDM Background Debug Mode

BSC Base Station Controller

BSS Base Station System

BTS Base Transceiver Station

CCC Central de Comutação e Controle

CDMA Code Division Multiple Access

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

CPU Central Processing Unit

CTS Clear To Send

DCS Digital Cellular Network

DNS Domain Name System

EDGE Enhanced Date Rates for GSM Evolution

EEPROM Eletrically Erasable Programmable Read-Only Memory

EIR Equipment Identity Register

EM Estação Móvel

ERB Estação Radiobase

ETSI European Telecommunications Standards Institute

FCC Federal Communications Commission

FDMA Frequency Division Multiple Access

FTP File Transfer Protocol

GGSN Gateway GPRS Support Node

GPRS General Packet Radio Services

GSM Global System for Mobile Communications

HLR Home Location Register

HSDPA High-Speed Downlink Packet Access

HTML Hypertext Markup Language

I2C Inter-Integrated Circuit

ICMP Internet Control Message Protocol

IMEI International Mobile Station Equipment Identity

IMSI International Mobile Subscriber Identity

IP Internet Protocol

IRC Interrupção de Recepção Completa

IRO Interrupção de Receptor Ocioso

ITC Interrupção de Transmissão Completa

ITO Interrupção de Transmissor Ocioso

LA2I Laboratório de Automação e Instrumentação Inteligente

LED Light Emitting Diode

M2M Machine to Machine

MSC Mobile-Services Switching Center

OMC Operational and Maintenance Center

PCI Placa de Circuito Impresso

PCS Personal Communications Service

PCU Packet Control Unit

RAM Random-Access Memory

RC Resistor-Capacitor

RF Rádio Frequência

RSSI Received Signal Strength Indication

RTC Real Time Clock

RTS Request To Send

SAD Sistema de Aquisição de Dados

SCI Serial Communication Interface

SCL Serial Clock

SDA Serial Data

SGSN Serving GPRS Support Node

SIM Subscriber Identity Module

SMD Surface Mounting Device

SMS Short Message Service

SMTP Simple Mail Transfer Protocol

TCP Transmission Control Protocol

TDMA Time Division Multiple Access

TFF Taxa de Fiscalização de Funcionamento

TFI Taxa de Fiscalização de Instalação

UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

UDP User Datagram Protocol

UEL Universidade Estadual de Londrina

USB Universal Serial Bus

VLR Visitor Location Register

WCDMA Wide-band Code Division Multiple Access

Lista de símbolos

A Corrente em Ampéres

B Dados em Bytes

bps Velocidade em bits por segundo

dB Unidade de medida em Decibéis

dBi Unidade de medida em Decibéis em relação a uma antena isotrópica

dBm Unidade de medida em Decibéis em relação a potência de 1 mW

F Capacitância em Farads

H Indutância em Henries

Hz Frequência em Hertz

Ω Resistência elétrica Ohm

s Tempo em segundos

th Unidade de milésimo de polegada

V Tensão em Volts

W Potência em Watts

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 O Tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Contextualização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Problemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.5 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 REVISÃO DA LITERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1 Meios de Transmissão de Dados e Sua Evolução . . . . . . . . . . . . . . 52.1.1 Grandes Descobertas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2 Crescimento da Telefonia Digital e das Redes de Comunicação de Dados 62.2 Sistema de Telefonia Móvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.1 O conceito de célula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.1.1 Estação Rádio Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.1.2 Estação Móvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.1.3 Central de Comutação e Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.2 A primeira geração (1G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.3 A segunda geração (2G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.4 A segunda geração e meia (2,5G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.5 Processo de Comutação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.5.1 Comutação por Circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.5.2 Comutação por Pacotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.6 GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.6.1 Arquitetura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.6.1.1 Estação Móvel (EM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.6.1.2 Base Station System - Sistema de Estação Base (BSS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.6.1.3 Mobile-Services Switching Center - Central de Comutação e Controle (MSC) . . . . . . . . . . . . 16

2.2.6.1.4 Home Location Register - Registro de Assinantes Locais (HLR) . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.6.1.5 Visitor Location Register - Registro de Localização de Visitante (VLR) . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.6.1.6 Authentication Center - Central de Autenticação (AUC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.6.1.7 Equipment Identity Register - Registro de Identidade de Equipamento (EIR) . . . . . . . . . . . . 17

2.2.6.1.8 Operational and Maintenance Center - Central de Operações e Manutenção (OMC) . . . . . . . . . . 17

2.2.6.2 Interface entre EM e ERB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.6.2.1 Frequências de Operação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.6.2.2 Alguns Serviços . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.6.3 Operadoras GSM no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.7 Serviço GPRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.7.1 Arquitetura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.7.1.1 Novos elementos e serviços . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.7.1.2 Protocolos TCP/IP e UDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.7.1.3 Serviço DNS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.8 Cobertura de Sinal GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2.8.1 Algumas Soluções com uso de Antenas em Áreas Remotas . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.8.1.1 Repetidor Celular Indoor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2.8.1.2 Antena externa para Celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3 Aplicações em Telemetria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3.1 Definição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3.2 Instrumentação e Aquisição de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3.3 Comunicação M2M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.3.3.1 Operadoras de Telefonia Móvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3 MATERIAIS E MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.1 Módulo de Transmissão de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.1.1 Características de Aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.1.2 Características Elétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2 Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2.1 Modos de Operação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2.2 Principais Periféricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.2.2.1 Portas de Entrada e Saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.2.2 Temporizador de 8 bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.2.3 Interface Serial Assíncrona (SCI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.2.4 Interface Serial I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.3 Interrupções e Configurações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2.4 Características Elétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.3 Memória . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.3.1 Características Elétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4 Regulador de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4.1 Regulador de Tensão Chaveado L5972D . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4.1.1 Características Elétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.4.2 Regulador de Tensão Linear LP2981 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.4.2.1 Características Elétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.5 Ambiente Proteus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5.1 O ISIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5.2 O ARES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.6 Ambiente Codewarrior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.1 Placa de Transmissão de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.1.1 Sistema de Alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.1.1.1 Projeto de circuito com o L5973D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.1.1.2 Projeto de Circuito com o LP2981 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.1.2 Sistema de Gerenciamento e Armazenamento . . . . . . . . . . . . . . . 454.1.2.1 Projeto de Circuito com o Microcontrolador MC9S08JM32 . . . . . . . . . . . . . 45

4.1.2.2 Projeto de Circuito com a Memória 24LC1025 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1.3 Sistema de Transmissão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.1.3.1 Projeto de Circuito com o GC864 QUAD - V2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.1.4 Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.1.4.1 Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.1.4.2 Depuração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.1.4.3 Extensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.1.5 Layout da Placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.1.5.1 Escolha dos Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.1.5.2 Distribuição dos Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.1.5.3 Roteamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.2 Sistema Operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.2.1 Configurações Iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.2.1.1 Oscilador Externo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.2.1.2 Interface Serial UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.2.1.2.1 Interrupção na Recepção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.2.1.2.2 Interrupção na Transmissão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2.1.3 Interface Serial I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.2.1.3.1 Acesso à Memória EEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.2.2 Arquitetura do Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.2.2.1 Recepção e Armazenamento dos Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.2.2.2 Transmissão dos Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.2.2.3 Sinalização Visual dos LED’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.2.3 Protocolo de Comunicação de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.2.3.1 Descrição do Protocolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.2.3.1.1 Início da comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.2.3.1.2 Requisição para o envio de pacote de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.2.3.1.3 Envio de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.2.3.1.4 Finalização da comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.2.4 Controle de Fluxo por Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.3 Interface com o Usuário via USB em Ambiente Windows . . . . . . . . . 844.3.1 Configurações do Modem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.1 Placa de Circuito Impresso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.2 Operação do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.3 Custos de Manutenção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

6 FECHAMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976.1 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

1

1 Introdução

1.1 O Tema

A transmissão de dados sem fio se faz presente no cotidiano de nossas vidas. Atualmentediversos pesquisadores estão utilizando cada vez mais soluções em comunicação sem fio (IONEL;MISCHIE; VASIU, 2012), uma vez que, grande parte dos Sistemas de Aquisição de Dados(SAD) ficam localizados em ambientes de difícil acesso e distantes do usuário, e na maioriados casos não permitem um contato físico entre ambos, ambientes estes caracterizados aquicomo lugares remotos. A forma com que os dados são transmitidos dependerá do tipo deequipamento utilizado, fazendo necessário o uso de transdutores e o desenvolvimento da interfacede comunicação (FRANCA, 1997). Nas aplicações de telemetria, uma opção interessante de seefetuar a comunicação remota entre a unidade de dados e o servidor é de utilizar um modempara essa finalidade.

Modem é um acrônimo das palavras “modulação” e “demodulação”, conceitualmente,um dispositivo assim denominado faz com que uma informação seja convertida em um formatofavorável a transmissão (modulação), e posteriormente, em seu destino, seja recuperada nasua forma inicial (demodulação) (BRAGHETTO et al., 2003). Certas aplicações de telefoniamóvel proporcionam métodos eficazes de comunicação, como a transmissão por pacote de dadosutilizando o serviço GPRS (General Packet Radio Services - Serviço Geral de Pacote por Rádio).Este serviço permite que a informação seja transmitida através da rede GSM (Global Systemfor Mobile Communications - Sistema Global para Comunicações Móveis), utilizando-se ummodem GSM/GPRS. A transmissão por pacote de dados GPRS apresenta vantagens, pois suatarifação é efetuada com base na quantidade de dados transmitidos e não por tempo de conexão.

Em contrapartida, o Brasil ainda possui algumas deficiências em seu sistema de distribui-ção de sinais de telefonia móvel (LOURENÇO; CRUZ; COMPART, 2011), esse fator também éabordado no trabalho, visto que na maioria das aplicações, os sistemas de aquisição de dadosestarão operando em lugares remotos, fazendo-se necessário o uso de antenas especiais paratelefonia celular.

1.2 Contextualização

O Laboratório de Automação e Instrumentação Inteligente (LA2I), do departamento deEngenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina (UEL), é um grupo de pesquisa edesenvolvimento que dentre as suas atividades, desenvolve SADs para as mais diversas áreas. Aseguir são descritos alguns desses projetos.

2 Capítulo 1. Introdução

A Estação Agrometeorológica, desenvolvida por MOREIRA (2010), consiste de um sis-tema de aquisição e armazenamento de dados em campo, aplicado a agricultura. O conhecimentode fatores como temperatura do ar, umidade relativa do ar, umidade do solo, molhamento foliar,precipitação entre outros são fundamentais para que se possa administrar com precisão açõesde irrigação, adubação, controle de doenças e pragas pela aplicação de defensivos agrícolas, demodo que esses processos ocorram de forma otimizada. Os dados coletados pela estação sãoarmazenados e em seguida transmitidos por um módulo GSM/GPRS, controlado pela própriaestação.

O Vibrógrafo, desenvolvido por SCHIMITH (2012), tem o objetivo de monitorar vibra-ções eólicas em linhas de transmissão suspensas, esse fenômeno causa fadiga aos condutoresdiminuindo consideravelmente sua vida útil, podendo levar até ao seu rompimento prematuro. Osistema proposto identifica vibrações utilizando um extensômetro, realiza o calculo da frequênciade oscilação e envia diariamente os dados coletados a uma central de processamento, através deum módulo GSM/GPRS gerenciado pelo sistema.

O trabalho de GUEDES (2013) retoma a proposta da Estação Agrometeorológica deMOREIRA (2010), e implementa uma plataforma com várias estações interligadas em malhae rede sem fio. Isso se justifica pois em uma grande área de cultivo podem existir diferentesmicroclimas localizados, ou seja, regiões onde as condições de tempo diferem das demais,devido, por exemplo, ao relevo ou à proximidade com matas e rios. Sendo assim, o sistema desensoriamento torna-se mais eficiente quando este compor uma área com várias estações deaquisição bem distribuídas. Neste projeto não foi utilizado nenhum sistema para a transmissãodos dados, embora o autor relate em seu trabalho que seria interessante o envio dos dados a umservidor utilizando o serviço GSM/GPRS.

MIZUGUCHI (2014) desenvolveu um sensor capacitivo para quantificar a água presenteno solo e sobre uma folha de vegetal durante o período de molhamento. Para o monitoramentodessas grandezas, fez-se necessário a implementação de uma rede de sensores para a coleta dedados em vários pontos de interesse, foi então desenvolvida uma rede cabeada para a aquisiçãodos dados. O sistema conta com um gerenciador que concentra os dados que são coletados emcada ponto de interesse, e periodicamente efetua a transmissão para um servidor utilizando oserviço GSM/GPRS. O fragmento a seguir foi extraído de sua dissertação, no que se refere aomódulo de transmissão GPRS utilizado:

Todo o gerenciamento de transmissão dos dados na memória até o recebimento peloservidor é feita pelo microcontrolador integrado ao SmartModem, que também con-tém as configurações do provedor de serviço e endereço do servidor incorporadas nopróprio código fonte. No estado atual do projeto esta característica é limitante, poisexige do usuário um conhecimento em programação para realizar as configuraçõesnecessárias.

1.3. Problemática 3

Neste último trabalho, citado aqui, o LA2I já havia desenvolvido o primeiro protótipo deum dispositivo de transmissão de dados via serviço GSM/GPRS, denominado Smart Modem, en-tretanto o projetista ainda era encarregado de desenvolver as rotinas de programação necessáriaspara o seu funcionamento.

1.3 Problemática

Na seção anterior foram descritos alguns casos em que se fez necessário o uso deum modem para a transmissão dos dados para um servidor. Nos casos em que o modem foiutilizado, o projetista precisou desenvolver rotinas de programação especificas para o projeto, ogerenciamento do modem era feito integralmente pelo SAD.

Um grande inconveniente que ocorre nesse sistema é que, em comparação com as rotinasde aquisição e armazenamento, as rotinas de transmissão dos dados através do modem leva umtempo demasiadamente longo e dependente de eventos aleatórios, como em alguns exemplos aseguir:

• inicialização do modem: para energizar o modulo GPRS deve-se colocar um determinadopino de entrada em nível lógico zero por pelo menos 3 segundos, e posteriormente verificarse o mesmo inicializou com sucesso;

• estabelecimento de conexão com o servidor: diversos comandos devem ser enviadospara configurar o modo de operação do dispositivo;

• configurações de rede: inicialização do servidor GPRS, APN (Access Point Name –Nome do Ponto de Acesso), DNS (Domain Name System – Sistema de Nomes de Domí-nios), TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol – Protocolo de Controlede Transmissão/Protocolo de Internet);

• transmissão dos dados: envio dos dados para o servidor.

Cada etapa desse processo é feita em malha fechada, ou seja, o controlador envia ocomando e espera a resposta do modem, sendo que em alguns casos ocorrem erros, neste casoa rotina é cancelada e o processo é reiniciado. Isto interfere fortemente nas rotinas do SAD,comprometendo assim a periodicidade em que esses eventos devam ocorrer.

Outro problema relevante é que diferentes SAD utilizam diferentes arquiteturas deconstrução, ou seja, microcontroladores, nível de tensão, memória, linguagem de programação,entre outros fatores, o que torna dificultosa a sua implementação, pois em cada caso, devem serfeitas adaptações necessárias em hardware e software.

4 Capítulo 1. Introdução

1.4 Objetivos

Este trabalho propõe o desenvolvimento de um módulo de transmissão de dados queutilize a rede de telefonia móvel GSM, através do serviço de pacotes de dados GPRS, paratransmitir os dados remotamente a um servidor. O módulo deve ter um gerenciamento autônomo,baixo consumo de energia e compatibilidade para grande parte de SADs, permitindo assim umaorganização modular no projeto do usuário.

1.5 Organização do Trabalho

Na primeira parte, são apresentadas algumas definições sobre os sistemas de transmissãode dados e as motivações para o desenvolvimento do trabalho.

Na segunda parte, são abordados alguns conceitos relativos ao sistema de telefonia,especialmente telefonia móvel no que se refere a comunicação de dados utilizando a tecnologiaGPRS, também são discutidos algumas aplicações de sistemas como o proposto por esse trabalhoe soluções a respeito de cobertura de sinal de telefonia celular.

Na terceira parte, são apresentados os detalhes a respeito da metodologia de desenvolvi-mento e implementação do projeto da placa de transmissão de dados proposta.

Por último são feitas algumas análises a respeito da operação do sistema, bem como adiscussão de erros no projeto e propostas futuras.

5

2 Revisão da Literatura

2.1 Meios de Transmissão de Dados e Sua Evolução

Desde surgimento da humanidade houve um desejo em passar informação uns aos outros,para isso eram necessários mecanismos para o desenvolvimento da comunicação, dessa forma osprimeiros instrumentos para a comunicação deram origem a expressões e sons desencadeandoo desenvolvendo a linguagem. A partir do momento em que a comunicação se desenvolviaos seres humanos foram capazes de dispersar-se para espaços geográficos cada vez maiores,causando uma divergência na linguagem, a separação de culturas e costumes, era necessáriouma espécie de comunicação mais eficiente, pois mesmo com a descoberta da escrita, por voltade 15.000 a.C., esse mecanismo não era suficiente para alcançar entidades geograficamentedistantes. Novos sinais foram empregados para que o ser humano pudesse se comunicar, comoutilização de tambores, fumaça, bandeiras, entre outros, porém esses sistemas não foram capazesde acompanhar a velocidade no qual as informações eram criadas, além de serem pouco eficientesà grande distância, esse problema persistiu por um longo tempo (FERRARI, 1991).

2.1.1 Grandes Descobertas

A evolução do processo de comunicação realizadas á distância ou telecomunicações,pode ser dividido em duas fases: antes do surgimento do telégrafo ou seja, sem o emprego desinais elétricos ou eletromagnéticos e a posterior ao telégrafo até os dias atuais. Na realidade,a existência efetiva das telecomunicações somente tem sido considerado apenas a partir dotelégrafo, em 1844, quando Samuel Morse efetuou sua primeira transmissão. Mais de trintaanos se passaram em que a telegrafia ainda se firmava como o único meio de telecomunicação,mesmo após a invenção da transmissão por rádio, permaneceu em uso pela sua inteligibilidadena presença de ruídos e sinais de baixa intensidade (TANENBAUM, 2003).

Em 1876 a invenção do telefone por Alexander Graham Bell revolucionou a forma comque as pessoas se comunicariam pelo mundo, este princípio operacional de transmissão de vozprevaleceu até a década de 1950 em todos os telefones (TEIXEIRA, 2012).

Ainda em 1947 surgiu a primeira ideia concreta de telefonia celular móvel. Pesquisa-dores discutiram o uso de telefones móveis que usavam "células"que identificariam o usuárioem qualquer região na qual fosse iniciada a chamada. Neste mesmo ano, a FCC (Federal Com-

munications Commission) decidiu autorizar frequências específicas de rádio para comunicaçãomóvel, essa autorização era bastante limitada, pois só permitia 23 chamadas em uma dada área(NASCIMENTO, 2004).

6 Capítulo 2. Revisão da Literatura

2.1.2 Crescimento da Telefonia Digital e das Redes de Comunicação deDados

A partir da década de 1960, o telefone já fazia parte do cotidiano das telecomunicaçõesem todo o mundo. Com o telefone universalizado e com os avanços tecnológicos obtidos atéaquela época, o que ocorreu nas décadas seguintes foi um processo gradual de digitalizaçãodo sistema de telecomunicações, até então completamente analógico, esse processo teve comoconsequências o aumento contínuo do software e a compactação progressiva do hardware. Foineste período, também, que ocorreram acentuadamente o crescimento e a evolução das redes decomunicação de dados. Surgiam as primeiras ideias de transmissão de dados por comutação depacotes, hoje imprescindíveis para muitos sistemas, incluindo a Internet (PINHEIRO, 2004).

2.2 Sistema de Telefonia Móvel

O sistema de telefonia celular é um serviço de telecomunicação móvel-terrestre que,utiliza um sistema de radio comunicação que é interligado à rede fixa de telefonia. É acessadopelo usuário por meio de terminais portáteis em locais que não sejam facilmente servidospor redes com fio. Nas seções que seguem serão apresentados conceitos gerais do sistema deTelefonia Móvel, com o objetivo de contextualizar as aplicações que são descritas no próximoCapítulo. Um estudo aprofundado deste tema deve ser feito à parte, por não ser o foco nestetrabalho.

2.2.1 O conceito de célula

O nome celular advém da característica construtiva da rede de telefonia móvel, quebasicamente tem o objetivo de substituir um único transmissor/receptor de alta potência, queseria responsável pela cobertura de uma grande área, por vários transmissores/receptores debaixa potência, cada um provendo cobertura a uma pequena região, ou célula, da área total.

A Figura 1 mostra como as regiões são divididas em células, composta por EstaçãoRadiobase (ERB), Central de Comutação e Controle (CCC) e Estação Móvel (EM), realizando asligações de forma automática entre os usuários e destes para outros sistemas (SANTOS, 2000).

As células em uma mesma área de cobertura possuem diferentes frequências, a fim deque uma célula não interfira na outra. Porém, é possível reutilizar a frequência de uma célula emoutra célula relativamente distante, desde que uma não interfira na outra. A Figura 2 ilustra oconceito de reutilização de frequência por grupos, onde as células com a mesma letra utilizam amesma frequência. As células adjacentes recebem a atribuição de diferentes frequências paraevitar interferência, células suficientemente distantes uma das outras podem usar a mesma bandade frequência.

2.2. Sistema de Telefonia Móvel 7

Figura 1: Composição básica de um sistema celular.

Fonte: (SANTOS, 2000), p.1.

Figura 2: Reutilização de Frequência.

Fonte: (CLEMENTE, 2010), p.1.

O formato hexagonal das células é o mais utilizado, permitindo maior abrangência decobertura, já que as distâncias de seus extremos são iguais em relação à ERB, como mostra aFigura 3, onde 2d é a distancia entre ERBs e R o máximo afastamento entre o usuário e a ERB.

Normalmente uma ERB com antena omnidirecional é localizada no meio da célula,porém há a possibilidade de utilizar antenas setorizadas e cobrir toda a área da célula.

2.2.1.1 Estação Rádio Base

Uma ERB corresponde a uma célula no sistema, como ilustrado na Figura 4, várias ERBssão espalhadas em uma área, otimizando a utilização do espectro de frequências e a irradiação de


Figura 3: Geometria padrão hexagonal.

Fonte: Adaptado de JACOB, 2015, p.5.

potência. A ERB se comunica com a EM através das interfaces disponibilizadas pela operadora,por exemplo CDMA, TDMA, GSM, e com a CCC através de canais de voz e de dados.

Figura 4: Interação da ERB com EMs.

Fonte: (SANTOS, 2000), p.4.

A mobilidade é conseguida pela utilização de comunicação em radiofrequência entre aEM e a ERB, a EM se comunica com a ERB mais próxima. Ao se locomover a EM muda decélula e tem sua comunicação transferida de uma ERB para outra. A mudança de ERB duranteuma chamada é denominada handoff 1.

As ERBs estão conectadas a uma CCC que por sua vez tem interconexão com outrasCCCs, e por fim e com o serviço telefônico fixo. Desse modo torna-se possível chamadas entreEMs, e de EMS com os telefones fixos.

1 Randoff é o procedimento empregado em redes sem fio para tratar a transição de uma unidade móvel de umacélula para outra.


2.2.1.2 Estação Móvel

A EM constitui-se basicamente em um transmissor/receptor portátil de voz e dadosoperando em modo full-duplex2, possuindo um caminho de ida e um de retorno em relação àERB, que são os links reverso (móvel para base) e direto (base para móvel), conforme ilustra aFigura 5.

Figura 5: Enlaces direto e reverso em comunicação móvel.

Fonte: (MACHADO, 2011).

A EM também se comunica com a ERB através de suas funções de controle e sinalização,como pedido da EM para acessar um canal e efetuar uma chamada, registro da EM na área deserviço atual, por exemplo, em outra CCC, mensagem de handoff oriunda da ERB, para que aEM sintonize outro canal, entre outros, onde "canal"constitui-se na dupla link direto e reverso(MACHADO, 2011).

2.2.1.3 Central de Comutação e Controle

É o coração de um sistema celular, responsável pela validação dos assinantes, processa-mento de chamadas, interface com a rede fixa de telefonia, interface com outras CCCs sejamelas de outra operadora ou não, gerenciamento de handoff, monitoração de ERBs, entre muitasoutras funções, a Figura 6 ilustra o subsistema composto de EMs, ERBs e CCCs. A quantidadede estações que uma CCC pode gerenciar e o número de assinantes máximo depende muitoda filosofia de operação de cada empresa no que diz respeito à qualidade dos seus serviços(SANTOS, 2000).

2.2.2 A primeira geração (1G)

Enquanto a telefonia fixa ensaiava seus primeiros passos rumo a digitalização, a telefoniamóvel celular não passava de experiências localizadas, com transmissão analógica. Em 1974,o FCC regulamentou a faixa para telefonia celular. Em 1975 a operadora Illinois Bell recebeu2 Uma comunicação é full-duplex quando os dispositivos transmissor e receptor podem transmitir dados simulta-

neamente em ambos os sentidos, a transmissão é bidirecional


Figura 6: Interação de CCCs com ERBs.

Fonte: (SANTOS, 2000).

autorização para desenvolver seu sistema, surgindo então, o AMPS (Advanced Mobile Phone

System), que se baseia em um conceito realmente diferente de seus antecessores, o conceitode sistema celular. Em 1979 o AMPS entrou em operação, e já em 1983 tornou-se o sistemaanalógico dominante a nível mundial (TUDE, 2003a).

O AMPS se caracteriza por um sistema de canal de voz analógico baseado em FDMA(Frequency Division Multiple Access). Oferecia serviços de voz, porém dados ainda era comtaxa de transmissão de 9600 bps. Estabeleceu-se então a estrutura e funcionalidades básicasassociadas a estes sistemas como roaming3 e handoff entre células. O sistema era dividido embanda A e banda B. Cada uma dessas bandas composta por 416 canais, sendo 21 canais decontrole e os demais de voz (FOROUZAN, 2008).

2.2.3 A segunda geração (2G)

Com o sistema analógico chegando ao seu limite de capacidade, veio a necessidade desistemas digitais, a segunda geração (2G) caracterizou-se, principalmente, pela digitalização docanal de voz, além da disponibilização de serviços suplementares para os usuários tais comoserviço de mensagens SMS (Short Message Service), identificador de chamadas e outros, ocrescimento da utilização de celulares levou à necessidade do aumento da capacidade destessistemas.

O canal de voz utilizou a tecnologia TDMA (Time Division Multiple Access), que tambémfoi base para o GSM (Global System Mobile) e o CDMA (Code Division Multiple Access), cada

3 Roaming é uma opção de serviço que permite a utilização em regiões fora de cobertura da operadora contratada,utilizando-se da operadora local.


uma com características baseadas em um tipo de modulação específico. Esta geração tambémproveu o acesso à rede de dados entre as operadoras com taxas de transmissão mais elevadas, emtorno de 64 Kbps, o que era razoável para as aplicações vigentes à época (SILVA, 2010).

2.2.4 A segunda geração e meia (2,5G)

A geração 2,5G é uma fase intermediária entre as gerações 2G e 3G, seu grande diferen-cial foi uma técnica avançada de modulação que permitia a comutação por pacotes em vez decomutação por circuitos, essa técnica é a mesma adotada pelo IP da arquitetura TCP/IP. Isso sedeve aos serviços GPRS (General Package Radio Services) e EDGE (Enhanced Date Rates for

GSM Evolution), estes serviços permitem o envio e o recebimento de dados em redes GSM commaior qualidade (FORTUNA; SILVA; MENDES, 2009).

O GPRS é um padrão desenvolvido pelo ETSI (European Telecommunications Standards

Institute), permite serviços de dados sem a necessidade de estabelecer uma conexão e a tarifaçãoé feita por utilização e não por tempo de conexão. Sendo assim, o serviço está sempre disponívelao usuário, os intervalos de tempo são alocados conforme a demanda dos pacotes enviados ourecebidos. O EDGE é uma versão melhorada do GPRS e um passo lógico de custo efetivo parao sistema de terceira geração. Possui taxas de transmissão rápidas o suficiente para suportarserviços de dados avançados (XAVIER et al., 2006).

A Figura 7 apresenta uma ilustração em blocos e dá uma ideia de como se deu a evoluçãodos sistemas de telefonia móvel.

Figura 7: Evolução da Telefonia Móvel.

Fonte: (XAVIER et al., 2006), p.309.

Na primeira geração o sistema permitia uma baixa taxa de transmissão de dados, portantoutilizava-se apenas os serviços de voz. Com a digitalização do sistema de telefonia móvel, na


segunda geração, ocorreu uma evolução junto à taxa de transmissão, especialmente no sistema2,5G pelo uso da comutação por pacotes, as taxas de transmissão de dados passaram a serminimamente aceitáveis.

A partir deste ponto foi possível oferecer uma melhor qualidade de voz e um maiornúmero de serviços ao usuário.

A Tabela 1 apresenta as características da evolução da telefonia móvel desde a primeirageração até a terceira geração, em relação a capacidade de transmissão de dados.

Tabela 1: Características dos sistemas móveis

Sistema Tecnologia Taxa de transmissão1G AMPS ≤ 16.2 kb/s

2GTDMA ≤ 28.8 kb/sCDMA ≤ 28.8 kb/sGSM ≤ 28.8 kb/s

2,5GGPRS ≤ 64 - 144 Kb/sCDMA2000 1X ≤ 64 - 144 Kb/sEDGE ≤ 384 - 2 Mb/s

3G

WCDMA ≤ 384 - 2 Mb/sCDMA2000 1xEVDV ≤ 384 - 2 Mb/sCDMA2000 1xEVDO ≤ 384 - 2 Mb/sHSDPA ≤ 384 - 10 Mb/s

Fonte: Adaptado de (XAVIER et al., 2006), p.309.

As aplicações de telefonia móvel utilizadas neste trabalho estão baseadas e limitadasnos serviços GSM e GPRS, introduzidos no sistema 2G e 2,5G respectivamente, sendo assimos serviços relacionados à tecnologia EDGE do sistema 2,5G e demais serviços do sistema 3Gestão fora do escopo do trabalho e não serão abordados.

2.2.5 Processo de Comutação

No início das operações de telefonia, as conexões para ligações telefônicas eram feitasmanualmente através de cabos em um painel, hoje esse processo é automatizado. Um processo decomutação é aquele que reserva e libera recursos de uma rede para sua utilização, as comutaçõesde circuitos e de pacotes são usadas no sistema telefônico atual. A comutação de circuito é usadano tráfego de voz, sendo a base para o sistema telefônico tradicional, a comutação de pacotes éusada para o tráfego de dados, sendo a base para a Internet (RIBEIRO, 2011).


2.2.5.1 Comutação por Circuitos

Uma rede comutada por circuitos é um tipo de rede no qual existe um caminho físicode comunicação dedicado entre dois endpoints4, durante o tempo da conexão. Este caminhoé estabelecido através dos nós da rede, ocupando uma fração da largura de banda5 em cadaligação, durante o tempo da conexão. O serviço de voz utiliza esse método, a operadora reservaum caminho específico entre os endpoints durante a ligação, neste tempo, ninguém pode usar aslinhas físicas envolvidas, mesmo que estejam ociosas (BRISQUI et al., 2003).

A Figura 8 apresenta de forma ilustrativa como se dá uma conexão por comutação decircuitos.

Figura 8: Um exemplo de comutação por circuitos em uma ligação telefônica.

Fonte: Adaptado de imagem em página da Internet Computer Networking Demystified6

Na comutação de circuitos, ocorrem três fases:

• Estabelecimento do circuito: antes que os terminais comecem a se comunicar, há umareserva de recurso necessário para essa comunicação, esse recurso é a largura de banda.

• Transferência da voz: ocorre depois do estabelecimento do circuito, com a troca deinformações entre os terminais.

• Desconexão do circuito: terminada a comunicação, a largura de banda é liberada em todosos ramos de comutação.

Antes de se estabelecer uma conexão, o equipamento de comutação define um caminhofísico desde o transmissor e o receptor, esse caminho pode conter trechos de fibra óptica,4 Endpoint é uma entidade em um terminal de conexão.5 Largura de Banda é a medida da capacidade de transmissão de um determinado meio, conexão ou rede,

determinando a velocidade que os dados passam através desta rede específica.6 Disponível em <http://computernetworkingsimplified.com/physical-layer/overview-circuit-switching-packet-

switching/> Acesso em 01/2016.


radiofrequência, par trançado, entre outros. Quando estabelecida, haverá um caminho dedicadoentre as extremidades até que a conexão termine. Nesse tipo de comutação, há a garantia da taxade transmissão, a informação chegará em tempo real e na mesma ordem, desde o transmissor atéo receptor (RIBEIRO, 2011).

Para serviços de voz, esse sistema tem a vantagem de manter a inteligibilidade daconversa entre os usuários, porém, a grande desvantagem é que em parte do tempo, o canal ficaocioso, pois dificilmente há trocas de informação em 100% do tempo, dessa forma a largura debanda é desperdiçada. Sendo assim a operadora faz a tarifação do serviço baseada pela distânciaentre os terminais e o tempo da conexão.

2.2.5.2 Comutação por Pacotes

Nesta modalidade, os dados são subdivididos em pacotes contendo endereços de origem,de destino e informação de sequência, neste caso não há estabelecimento de um caminhodedicado a transmissão, os sistemas comutadores de pacotes, também chamados de roteadores,encaminham os pacotes entre os nós da rede de forma aleatória. Os pacotes chegam fora deordem ao destinatário, que por sua vez se encarrega de reconstruir os dados e interpretar oconteúdo da mensagem. Por esse motivo, a comutação por pacotes tem maior tolerância a falhasem relação a comutação por circuitos, pois os pacotes podem percorrer caminhos alternativos atéo destino de forma a contornar os equipamentos de comutação inativos, a Internet é baseada emcomutação por pacotes (MAZZOLA, 2000).

A Figura 9 apresenta dois interlocutores em uma rede de comutação por pacotes.

Figura 9: Um exemplo de comutação por pacotes em uma transmissão de dados.

Fonte: Adaptado de imagem em página da Internet TCP/IP GUIDE7

7 Disponível em <http://www.tcpipguide.com/free/t_CircuitSwitchingandPacketSwitchingNetworks.htm> Acessoem 01/2016.


No exemplo, o "Remetente 1"envia ao "Destinatário 1"a sequencia representada pelasletras "A B C", os pacotes "A"e "B"tomam um caminho diferente do pacote "C", e chegam aodestino em ordem e tempos diferentes.

Nesse tipo de comutação, não há a reserva prévia de largura de banda, e assim, tambémnão há o desperdício de recursos, a largura de banda é fornecida sob demanda. O pacote érecebido e armazenado por completo pelo nó e depois encaminhado para o próximo destino, emcada um desses nós, o pacote recebido tem um endereço de destino, que possibilita indicar ocaminho correto para o qual ele deve ser encaminhado. Em contrapartida o sistema de comutaçãopor pacotes não dá nenhuma garantia em relação a atrasos, podem haver perda de pacotes, e oprincipal, podem chegar a tempos e ordem diferentes do que foram enviados: problemático paratransmissão em tempo real, como por exemplo voz e vídeo.

A tarifação na comutação de pacotes é feita pelo volume de dados trafegados ou porcotas de volume de dados oferecidas pela operadora.

2.2.6 GSM

O GSM é um padrão digital de segunda geração (2G), desenvolvido na Europa parasubstituir os diferentes e incompatíveis padrões analógicos utilizados pelos países europeus. Foiadotado na maior parte do mundo, utilizando inicialmente a faixa de 900 MHz com canais de200 kHz, teve posteriormente uma versão adaptada para as faixas de 1800 e 1900 MHz. O GSMé hoje o padrão com o maior número de usuários em todo o mundo. (SOUZA; TUDE, 2007).

2.2.6.1 Arquitetura do Sistema

O GSM tem a estrutura básica dos sistemas celulares ja discutido anteriormente, ofere-cendo as mesmas funcionalidades básicas dos demais sistemas celulares associadas à mobilidadecomo roaming e handover entre células.

A arquitetura de referência de um sistema GSM é apresentada na Figura 10.

2.2.6.1.1 Estação Móvel (EM)

A EM é o terminal utilizado pelo usuário, portador de um cartão de identificação conhe-cido como SIM Card (Subscriber Identity Module - Módulo de Identidade do Assinante), o SIMCard é necessário para que a EM esteja associada a um usuário no sistema.

O SIM Card armazena, entre outras informações, um número de 15 dígitos denominadoIMSI (International Mobile Subscriber Identity - Identidade Internacional do Assinante Móvel),que identifica unicamente uma dada EM.


Figura 10: Elementos básicos da arquitetura GSM.

Fonte: (TUDE, 2003b).

Existe também para a o equipamento transceptor, um número de 15 dígitos, atribuídopelo fabricante, denominado IMEI (International Mobile Station Equipment Identity - IdentidadeInternacional do Equipamento Móvel).

2.2.6.1.2 Base Station System - Sistema de Estação Base (BSS)

O BSS, também conhecido como subsistema rádio, provê e gerencia as transmissõesentre EMs e a central de comutação MSC, em uma determinada área. É formado por váriasERBs, que constituem uma célula, e um BSC (Base Station Controller - Controlador de EstaçãoBase) , que controla estas BTSs.

2.2.6.1.3 Mobile-Services Switching Center - Central de Comutação e Controle (MSC)

O MSC é a central responsável pelas funções de comutação e sinalização para as EMslocalizadas na área geográfica designada, gerencia o handover dos assinantes (locais ou emroaming), quando estes se movem de uma célula para outra, além de rotear ligações para outrosMSCs.

2.2.6.1.4 Home Location Register - Registro de Assinantes Locais (HLR)

O HLR compõe uma base de dados que contém informações sobre o assinante e delocalização para cada usuário que reside na mesma região de atuação de uma MSC.


2.2.6.1.5 Visitor Location Register - Registro de Localização de Visitante (VLR)

O VLR forma uma base de dados que armazena temporariamente a IMSI e informaçõesde usuário em roaming que está visitando a área de cobertura de uma MSC em particular.Associado a várias MSCs em uma área geográfica, contém informações de assinatura de todosos usuários visitantes nessa área. Estando um roamer registrado no VLR, a MSC envia asinformações necessárias ao HLR desse usuário visitante de tal forma que as chamadas para esseassinante possam ser devidamente roteadas através da rede.

2.2.6.1.6 Authentication Center - Central de Autenticação (AUC)

É responsável pela autenticação dos assinantes no uso do sistema, tem a função de mani-pular as chaves de autenticação e criptografia para cada usuário no HLR e no VLR, possibilitandoa autenticação do IMSI do assinante. É também responsável por gerar a chave para criptografar acomunicação entre EM e ERB.

2.2.6.1.7 Equipment Identity Register - Registro de Identidade de Equipamento (EIR)

É a base de dados que armazena os IMEIs dos terminais móveis de um sistema GSM.

2.2.6.1.8 Operational and Maintenance Center - Central de Operações e Manutenção(OMC)

É a entidade funcional através da qual a operadora monitora e controla o sistema,monitorando e mantendo o desempenho de cada EM, ERB, BSC e MSC no sistema GSM.

Dentro de cada sistema GSM, um OMC é dedicado para todas as funções anteriormentecitadas e possui provisões para ajustar todos os parâmetros de uma ERB e os procedimentos detarifação, bem como prover operadores do sistema com a habilidade de determinar o desempenhoe a integridade de cada parte do equipamento do usuário em todo sistema (BRISQUI et al., 2003).

2.2.6.2 Interface entre EM e ERB

A interface de rádio é responsável por manter a comunicação entre a ERB e EM en-quanto este se desloca no interior da célula, sendo de fundamental importância no desempenhooperacional da rede GSM.

2.2.6.2.1 Frequências de Operação

O GSM foi padronizado para operar nas faixas de frequências apresentadas na Tabela 2,sendo o GSM 900 e o DCS 1800 adotados na Europa e o PCS 1900 nos Estados Unidos.


A Tabela 2 apresenta as faixas de frequência nas operações de "Up Link", transmissão dedados da EM para a ERB, e "Down Link", transmissão de dados da ERB para a EM, bem como aseparação .

Tabela 2: Frequências de Operação GSM em MHz.

GSM 900 DCS 1800 PCS 1900Up Link 890-915 1710-1785 1850-1910

Down Link 935-960 1805-1880 1930-1990∆F 45 95 80

Fonte: Adaptado de (TUDE, 2003b).

As Bandas do GSM são divididas em canais de RF (Radio Frequência), onde cada canalconsiste de um par de frequências (Transmissão e Recepção) com 200 kHz de banda. Existem,portanto, 124 canais de RF no GSM 900 e 373 canais no DCS 1800. Estes canais receberamuma numeração conhecida como ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number) (TUDE,2003b).

Utilizando a técnica TDMA, que faz uma multiplexação de dados no tempo, cada canalsuporta ainda 8 canais no tempo, através da divisão de um período de tempo em 8 intervalos,chamados time slots.

Cada canal tem um período de 4,615 ms, chamado de período de quadro, cada quadro énumerado de 0 a 7 (ou seja, 8 time slots), portanto cada slot dura 576,92 µs, sendo a sequênciade divisão repetida a cada 4,615 ms.

A Figura 11 ilustra graficamente os detalhes discutidos anteriormente.

Figura 11: Alocação na frequência e no tempo GSM.

Fonte: Adaptado de (SCHILLER, 2003).


Há portanto uma combinação das técnicas FDMA e TDMA no GSM. Os canais de Up

Link e Down Link são divididos em subcanais (técnica FDMA), além disso cada subcanal édividido, no tempo, em oito partes, sendo cada parte designada a uma EM que transmite/recebe,teoricamente, por um slot e fica ociosa os sete slots seguintes (técnica TDMA).

2.2.6.2.2 Alguns Serviços

As especificações do GSM procuraram de início reproduzir na rede móvel os serviçosque estariam disponíveis na rede fixa. A estrutura flexível dos canais físicos do GSM bem comoa utilização de um protocolo robusto facilitaram a introdução de serviços como por exemplo:

• Serviço de mensagens curtas SMS;

• Serviço identificador de chamadas;

• Serviço de localização;

• Serviço de dados por comutação de pacotes;

2.2.6.3 Operadoras GSM no Brasil

No Brasil existem mais de dez empresas atuando como operadoras de telefonia móvel,dentre elas quatro são as mais conhecidas a Vivo, Tim, Claro e Oi, em Londrina/PR existe umaoperadora local, a Sercomtel, como ilustra a Figura 12.

Figura 12: Principais Operadoras atuantes no Brasil.

Fonte: Conteúdo da Web8

É importante saber qual a frequência GSM que a operadora trabalha, pois determinadasEM são compatíveis apenas com duas bandas de frequência, a Tabela 3 apresenta as frequênciasdas operadoras acima.

A operadora Vivo é a única que trabalha com frequência de 850 MHz.8 Showmetech. Disponível em <http://www.showmetech.com.br/saiba-quais-sao-as-frequencias-das-operadoras-

brasileiras-gsmgprsedge-e-hsdpa-3g/> Acesso em 01/2016.


Tabela 3: Frequências das operadoras para GSM/GPRS.

Operadora Frequência [MHz]VIVO 850/1900

CLARO 900/1800TIM 900/1800OI 900/1800

SERCOMTEL 900/1800Fonte: Anatel.

2.2.7 Serviço GPRS

A segunda geração 2G teve a intenção de oferecer telefonia digital para serviços de voz,mas não para acessar à Internet. A Internet transporta dados por pacotes, através do protocoloIP e para que a rede móvel seja adaptada à Internet, é preciso que os dados sejam organizadostambém em pacotes. Foi criada então a tecnologia GPRS, cuja essência é possibilitar o tráfego dedados por pacotes para integrar a rede de telefonia celular à Internet. Com a chegada do GPRS,o sistema passou a ser chamado de 2.5G. As outras aplicações implementados na geração 2Gcontinuaram utilizando a comutação de circuitos (COSTA, 2008).

De acordo o discutido anteriormente, a evolução na Rede GSM com o serviço GPRSoferece um aumento da taxa de transmissão de dados. A velocidade saltou de 9,6 kbps parapróximo dos 171,2 kbps(na prática bem menos que isso), em que se pode operar uma RedeGPRS. Os assinantes passaram a pagar apenas a quantidade de dados transferidos e não pelotempo de conexão à rede (SILVA, 2005).

Graças a isso, mais serviços puderam ser oferecidos como:

• Chat - pode utilizar salas de bate-papo normalmente, sem nenhuma restrição;

• Web Broswing - pode-se navegar por páginas HTML9 e ter acesso a todo conteúdo, comoimagens, entre outros;

• Wap - uma tecnologia complementar, fornecendo downloads mais rápidos;

• Imagens - é possível receber e enviar imagens de câmeras digitais;

• Transferência de documentos - acesso a FTP10;

• E-mail - as mensagens são recebidas diretamente sem a necessidade de verificar noservidor;

9 HTML é uma abreviação HyperText Markup Language, ou Linguagem de Marcação de Hipertexto, é umalinguagem de marcação utilizada na construção de páginas na Internet.

10 FTP é uma abreviação de File Transfer Protocol, ou Protocolo de Transferência de Arquivos, é uma formaversátil de se transferir arquivos, sendo uma das mais usadas na Internet.


• Áudio e Vídeo - arquivos de vídeo e áudio poderão ser enviados pela rede;

No contexto atual de comunicação sem fio, a tecnologia GPRS, embora não seja amais recente, é a que oferece melhor desempenho em termos de confiabilidade, qualidade decomunicação e cobertura a um custo relativamente baixo.

Uma característica importante é que o serviço GPRS utiliza a estrutura de redes decelulares e Internet já consolidadas, isentando o usuário de construir e manter a sua própria rede.A grande vantagem é a integração com a Internet, que permite conexão com qualquer ponto domundo em diferentes equipamentos. Essa versatilidade é algo importante em qualquer sistemade monitoramento remoto de dados (TATEOKI, 2007).

2.2.7.1 Arquitetura do Sistema

O serviço GPRS utiliza os recursos já existentes na rede GSM, acrescentando algunselementos na infra-estrutura da rede para suportar os novos serviços de dados. Além de permitiraos usuários a troca de dados e acesso à Internet, a rede GPRS permitiu às operadoras detelefonia testar e implementar novos serviços que futuramente seriam aproveitados no sistema3G (PIROTTI; ZURACCOLOTO, 2009).

2.2.7.1.1 Novos elementos e serviços

Para adaptar a rede GSM, alguns os novos elementos foram introduzidos, como mostra aFigura 13.

O PCU (Packet Control Unit) ou Unidade de Controle de Pacote, provê as interfaceslógica e física para o tráfego de dados na rede GPRS. Quando a rede GPRS está sendo usada,o tráfego dos dados é transferido, através da PCU, para o SGSN. O tráfego de voz continuautilizando o mesmo caminho da rede comutada por circuitos do GSM, passando do BSC para oMSC.

O SGSN (Serving GPRS Support Node) ou Servidor do Nó de Suporte GPRS, entregapacotes de dados para a EM dentro de sua área de serviço. Sua tarefa inclui roteamento e transfe-rência de pacotes, funções de conexão de desconexão de estações móveis e suas autenticações,e gerenciamento lógico do link. O registrador de localização do SGSN armazena informaçõesde localização (ERB e VLR atual) e os dados de todos os usuários registrados neste SGSN(PIMENTA, 2006).

O GGSN (Gateway11 GPRS Support Node) ou Gateway do Nó de Suporte GPRS, atuacomo uma interface com a rede externa de pacotes, gerencia o roteamento entre a rede GPRS eoutras redes de dados (Internet, X.25, entre outras), é responsável por controlar a alocação de11 Gateway, ou ponte de ligação, é uma máquina intermediária geralmente destinada a interligar redes, separar

domínios de colisão, ou mesmo traduzir protocolos.


Figura 13: Arquitetura rede GSM + GPRS.

Fonte: (PIROTTI; ZURACCOLOTO, 2009), p.6.

endereços IP por parte das EMs e por traduzir os formatos de pacotes de endereços externospara o formato de endereçamento GPRS, ele converte os pacotes GPRS vindos do SGSN para oformato PDP (Packet Data Protocol) adequado, e os envia para a rede externa correspondente(PIMENTA, 2006).

O APN (Access Point Name), ou Nome do Ponto de Acesso, é um serviço da redeGPRS que designa qual aplicação, protocolos e serviços o usuário acessará e poderá utilizar. Aosolicitar uma conexão de dados na rede GPRS, a EM deve informar o APN utilizado para que oselementos da rede identifiquem os serviços disponíveis.

2.2.7.1.2 Protocolos TCP/IP e UDP

Os principais protocolos de transporte de dados utilizados rede GPRS são TCP/IP eUDP/IP, a seguir será dada uma breve descrição sobre as principais características de cada um,já que não é objetivo deste trabalho o aprofundamento sobre tais protocolos e sim a interaçãodestes com o GPRS.

O TCP/IP é na verdade, um conjunto de protocolos, que está associado as camadasde transporte da Internet. Seus dois principais protocolos são o TCP (Transmission Control

Protocol), ou Protocolo de Controle de Transmissão e o IP (Internet Protocol), ou Protocolo deInternet.


O IP é um protocolo da rede, suas funções são o endereçamento, fornecendo uma identi-ficação única para cada dispositivo da rede, mais conhecida como endereço IP, e o roteamento,ao encontrar um caminho entre a origem e o destino dos dados.

O TCP é um protocolo de transporte, orientado à conexão, ou seja, o remetente enviauma solicitação de conexão ao destinatário e através dela transfere os dados, essa conexão ésempre ponto-a-ponto, ou seja, envolve apenas dois interlocutores. A característica principaldo TCP são as várias técnicas para proporcionar uma entrega confiável dos pacotes de dados,permitindo a recuperação de pacotes perdidos, a eliminação de pacotes duplicados e identificaçãode dados corrompidos. A transferência ocorre em full-duplex além de garantir que no final daconexão todos os pacotes tenham sido entregues (VENTURA; SOUSA; GOMES, 2000).

O UDP é também um protocolo de transporte, orientado à transmissão de mensagens semo estabelecimento de uma conexão entre máquina fonte e o destino, fornecendo uma comunicaçãomenos confiável que o TCP, é utilizado quando se prioriza a velocidade ante a confiabilidade natransmissão (GADDO, 2007).

2.2.7.1.3 Serviço DNS

O DNS é um serviço de banco de dados que faz uma listagem de nomes em endereçosde IP e vice versa, com o objetivo facilitar a conexão à um domínio através do navegadorde Internet. Assim, um usuário da rede envia a busca através do nome do servidor em vezdo seu número IP, tornando o processo facilitado e intuitivo. Por exemplo, pode-se digitar"http://www.google.com/"para acessar o site da Google, sem ter de saber o número IP do servidoronde está hospedado o site, o protocolo TCP/IP "resolve"qual o número IP está associado a esteendereço. O DNS pesquisa na sua base de dados ou envia a pesquisa para outros servidores DNS,uma vez encontrado o número IP, o DNS retorna o número IP para a máquina que efetuou aconsulta (TATEOKI, 2007).

2.2.8 Cobertura de Sinal GSM

Segundo informações de cobertura apresentadas pela Anatel em seu portal no início domês de dezembro de 2012, todas os municípios no Brasil possuem atendimento de serviço móvelpessoal. Ainda segundo a Anatel, um município será considerado atendido quando a área decobertura contenha, pelo menos, 80% da área urbana do Distrito Sede atendido pelo ServiçoMóvel Pessoal. A Tabela 4 mostra dados já atualizados, do ano de 2015.

O fato é que se leva em consideração apenas áreas urbanas, excluindo-se áreas rurais,estradas e demais regiões. Mesmo com o aumento significativo de usuários em telefonia móvel,ainda existem muitas áreas sem cobertura adequada, principalmente as regiões distantes doscentros urbanos, ou mesmo áreas urbanas com muitos obstáculos construtivos, relevo acidentado,12 A operadora NEXTEL não utiliza tecnologia GSM.


Tabela 4: Número de municípios com atendimento celular por operadora segundo a Anatel(Dezembro de 2015).

Operadora Municípios atendidos População atendida [%]VIVO 3.757 91,3

CLARO 3.814 92,8TIM 3.526 91,6OI 3.399 88,8

ALGAR 106 2,1SERCOMTEL 2 0,3

NEXTEL12 410 47,2Brasil 5.565 100,0

Fonte: Anatel, 2005.

entre outros fatores, que limitam à propagação de sinais, como o exemplificado graficamentepela Figura 14.

Figura 14: Comportamento do sinal em obstáculos físicos.

Fonte: (SILVA, 2006), p.31.

A definição de instalação de ERBs em um sistema de telefonia celular é uma tarefacomplexa. É necessário avaliar certos requisitos para sua implantação, desde a definição dalocalidade a ser instalada até o tipo de sistema e equipamentos a serem utilizados. A operadora,parte do princípio de maximizar o atendimento de possíveis usuários com o mínimo custo, poissua lucratividade é diretamente proporcional ao número de assinantes. (SILVA, 2006).

Atualmente as operadoras GSM no Brasil oferecem o serviço GPRS em quase todasas áreas no qual o sistema de voz GSM está em operação, porém o sistema GSM não tem boacobertura fora dos grandes centros urbanos (DILLENBURG, 2003).

2.2.8.1 Algumas Soluções com uso de Antenas em Áreas Remotas

O uso de repetidores internos vem aumentando consideravelmente nos últimos anos,principalmente em locais densamente construídos como edifícios comerciais, centros financeiros,


entre outros, pois esses locais têm uma demanda maior de usuários em uma região crítica, isto é,por se tornarem locais obstruídos o nível de sinal dos mesmos se torna insatisfatório (SALES,2006). Esse tipo de solução também pode ser aplicado em áreas remotas, onde o nível de sinal émuito baixo, por perda de percurso ou sombreamento (sem linha de visada).

(LOURENÇO; CRUZ; COMPART, 2011) fez um estudo de caso sobre áreas deficientesem serviços de telefonia celular, considerou viável o uso de antenas e amplificador de sinalcomerciais, levando em consideração o custo benefício desses equipamentos.

A fabricante Aquário13 dispõe de antenas e aparelhos repetidores para sinal de celular,para diversos ganhos e nas frequências utilizadas pelas operadoras GSM no Brasil.

2.2.8.1.1 Repetidor Celular Indoor

O repetidor recebe o sinal fraco de uma ERB distante, o amplifica e retransmite paraa nova área de serviço provendo cobertura. No enlace reverso o repetidor capta o sinal da EMe o retransmite amplificado para a ERB, a Figura 15 ilustra um modelo de repetidor da marcaAquário.

Figura 15: Repetidor Celular.

Fonte: AQUÁRIO WIRELESS TECHNOLOGY.

Repetidor de Banda Seletiva Um repetidor é dito de banda seletiva quando o mesmoapresenta a propriedade de repetir uma banda de frequências previamente definidas, sem definiçãoexata de quais ERB’s o mesmo irá repetir.

A potência de saída deste equipamento será limitada pela quantidade de portadoras que omesmo estará repetindo, ou seja, quanto mais portadoras menor será a potência de saída.

Repetidor de Canal Seletivo O repetidor de canal seletivo tem como característica repetiro sinal da ERB que melhor convém ao projetista, ou seja, pode ser escolhido tanto o melhorservidor quanto o segundo melhor ou outros. A grande vantagem deste tipo de equipamento é13 http://www.aquario.com.br/


o ganho de potência, já que repetirá poucas frequências, e o poder de escolher a ERB com amelhor qualidade de sinal para seu projeto.

Os Repetidores Celular tem a vantagem de amplificar a potência do sinal e possibilitar adistribuição para vários aparelhos ao mesmo tempo em uma grande área, através de uma antenaInterna. Os usuários tem total mobilidade, pois os aparelhos não precisam ser ligados a nenhumcabo ou antena, mas a grande desvantagem é de o aparelho amplificador de sinal depender deenergia elétrica para o seu funcionamento. Em alguns casos somente o uso da antena soluciona oproblema (SALES, 2006).

2.2.8.1.2 Antena externa para Celular

Uma antena pode ser utilizada diretamente no aparelho celular, sua instalação é feitaem local externo em uma altura adequada, sua conexão à antena sedá através de cabo, como oilustrado na Figura 16.

Figura 16: Usuário utilizando antena externa conectada ao aparelho móvel.


Pelo seu alto ganho e dependendo da posição onde é instalada, permite utilizar o aparelhocelular em áreas de baixo sinal, insuficiente para a operação com a antena própria do aparelho. Asua instalação é similar à de uma antena de televisão, bastando fixá-la e encaixar os conectoressem maiores dificuldades. As antenas do tipo Yagi, Figura 17, são as mais utilizadas para essefim, pode ser usada para acesso de internet via celular (GPRS/EDGE/3G) ou para monitoramentode sistemas de segurança.

O problema encontrado neste sistema é que o aparelho perde a mobilidade já que omesmo precisa estar fixo na antena externa, como o ilustrado na Figura 18.

A maioria dos sistemas de comunicação via rádio depende de um caminho com linha devisada entre os dispositivos de transmissão e recepção para estabelecer um link de comunicação.Uma propriedade fundamental de um sistema de rádio com linha de visada é a atenuação do sinaltransmitido à medida que a distância entre o transmissor e o receptor aumenta. Esta atenuação do


Figura 17: Antena Yagi para Celular.


Figura 18: Sistema básico de antena externa.

Fonte: Adaptado de (SCHULTZ, 2004), p.23.

sinal com a distância é referida como perda de percurso (ACHANTA et al., 2010). Uma equaçãosimplificada para a perda no caminho entre duas antenas de rádio, no espaço livre, é dada por:

LP (dB) = 36.57 + 20log(d) + 20log(f) (2.1)

onde:LP é a perda de percurso, em dB.d é a distância entre o transmissor e o receptor, em milhas.f é frequência da portadora RF usando, em MHz.

A Equação 2.1 mostra que a perda de percurso é diretamente proporcional à distânciaentre o transmissor e o receptor e também à frequência de transmissão.

A potência pode também ser expressa como uma relação relativa a uma referênciaconhecida. A grandeza logarítmica normalmente usada, dBm, é uma relação da potência relativaà 1 mW, conforme fornecido na Equação 2.2:

dBm = log

(P

1mW

)(2.2)

As relações de potência absoluta (dB) e relativa (dBm) podem ser combinadas pela


adição e subtração em de multiplicação e divisão, que é o motivo pelo qual são amplamenteusadas. A Figura 19 ilustra, didaticamente, um exemplo de perda de percurso em um enlace e autilização de antenas.

Figura 19: Ilustração de um sistema de enlace de rádio.

Fonte: Adaptado de (ACHANTA et al., 2010), p.3.

A potência recebida na EM pode ser calculada pela Equação 2.3:

PR(dBm) = PT (dBm) +GT (dBi) +GR(dBi) − LP (dB) (2.3)

onde:PR é a potência recebida, em dBm.PT é a potência transmitida, em dBm.GT e GR são os ganhos da antena do transmissor e receptor, respectivamente, em dBi14.LP é a perda de percurso, em dB.

Na pratica, os dados de potência transmitida (PT ), ganho da antena transmissora (GT )e perda de percurso (LP ) são difíceis de se conseguir. De maneira mais simples, o calculo daantena receptora pode ser feito pela Equação 2.4:

GR(dBi) ≥ PD(dBm) − PR(dBm) (2.4)

onde:PD é a potência mínima desejada, em dBm.PR é a potência recebida, em dBm.

14 dBi é uma medida usada em antenas para determinar seu ganho em relação a uma antena isotrópica. Uma antenaisotrópica é uma antena ideal, impossível de ser construída e somente usada como referência para medições.

2.3. Aplicações em Telemetria 29

GR é o ganho da antena receptora, em dBi.

O nível de potência recebida no local pode ser obtido via analisador de espectro oudemais aparelhos específicos e o nível de potência mínima desejada é um dado encontradofacilmente nas especificações do aparelho celular.

A perda de percurso dada pela Equação 2.1 se refere ao espaço livre, ou seja, nãoconsidera a interferência do terreno, das construções, das condições atmosféricas e fatoresclimáticos, ou da atenuação devida aos múltiplos caminhos que afetam de forma adversa apropagação do sinal, além do que existem outros fatores que não são levados em consideraçãocomo efeitos de sombreamento, multipercurso, desvanecimento, entre outros.

Não existe forma fechada para um cálculo dessa natureza, na prática utiliza-se da estatís-tica e de simulações para se estimar esses fatores.

2.3 Aplicações em Telemetria

2.3.1 Definição

Sistemas de telemetria são aqueles que têm o objetivo de transmitir dados provenientes deequipamentos à distância ou em locais remotos, surgiu devido a necessidade de realizar mediçõesou obter dados de lugarem inacessíveis, como por exemplo temperatura dentro de um forno,pressão em uma caldeira, medição em linhas de alta tensão, sismógrafos, entre outros, utilizandoum meio de transmissão, geralmente não guiado, permitindo assim o monitoramento, medição econtrole (PELICHEK, 2009).

2.3.2 Instrumentação e Aquisição de Dados

A instrumentação é fundamental em aplicações de telemetria, pois executa as leiturase fornece os dados que interessam ser transmitidos e monitorados. Estes dados são traduzidosem grandezas elétricas através dos transdutores15, são sinais de temperatura, umidade, pressão,velocidade, entre outros dependendo da atividade que este sistema esteja a mensurar. Por seremgrandezas elétricas, os dados podem ser modulados e transmitidos, permitindo a observação daestrutura do sistema à distância, como ilustra a Figura 20.

A comunicação por meio de cabos para interligação dos equipamentos pode ser utilizadacomo já discutido anteriormente, mas há situações em que isto não é possível devido à distânciaentre os pontos ou pelo difícil acesso aos locais de aquisição dos dados. Nestes casos, a comuni-

15 O transdutor é um dispositivo que transforma uma magnitude física, como temperatura, pressão ou posição, emsinal elétrico.

16 M2M Gives Eyes & Ears to the Enterprise. Disponível em <http://www.designnews.com/> Acessado em01/2016


Figura 20: Esquema básico de telemetria.

Fonte: Adaptado de Conteúdo da Web16.

cação sem fio, especificamente a tecnologia GPRS, torna-se interessante para resolução desteproblema.

Já foram lançadas as tecnologias 3G e mais recentemente a 4G, sendo indicadas parao tráfego de grandes volumes de dados. Para pequenos volumes de dados, como é o caso deequipamentos eletrônicos de monitoração remota, o sistema GPRS (2G) se apresenta maisfavorável pois tem menor custo e maior cobertura, comparado aos sistemas 3G e 4G.

2.3.3 Comunicação M2M

O termo M2M vem do inglês Machine-to-Machine ou Máquina a Máquina, se refereà comunicação de dados via rede celular entre dispositivos terminais remotos e servidores dedados sem a intervenção humana, também chamado no Brasil como “Internet das Coisas”.

O M2M vem sendo utilizado em diversas áreas tais como segurança patrimonial, gestãode frotas de veículos, medição de energia, água e gás, controle ambiental, telemedicina, entreoutras aplicações, como ilustrado na Figura 21.

2.3.3.1 Operadoras de Telefonia Móvel

Apesar de o foco ser a comunicação de voz e dados para uso pessoal, recentementeas operadoras de redes celulares passaram a disponibilizar serviços para o mercado de M2M,decorrente do aumento do número de dispositivos de comunicação de dados remotos.

Isso se deu principalmente pelo incentivo do governo, que através do decreto no 8234 de2 de maio de 2014 regulamentou a definição de dispositivos M2M. Em seguida, o Ministério dasComunicações aprovou o corte das taxas anuais do Fundo de Fiscalização das Telecomunicações(Fistel).

17 Tech Zine. Disponível em <https://techzine.alcatel-lucent.com/expanding-mobile-service-providers-role-m2m/> Acessado em 01/2016

2.3. Aplicações em Telemetria 31

Figura 21: Exemplo de tráfego de dados M2M.


O Fistel foi criado em 1966 tendo por finalidade arrecadar recursos para custear asdespesas feitas pelo governo na fiscalização dos serviços de telecomunicações. Para isso, sãoaplicadas duas taxas nas operadoras, a taxa TFI (Taxa de Fiscalização de Instalação) e a taxaTFF (Taxa de Fiscalização de Funcionamento). A TFI é cobrada da operadora quando se habilitauma nova linha para um usuário, e a TFF é cobrada anualmente das operadoras em relação aonúmero de linhas habilitadas (MELLO; MELCHIOR, 2003).

Com o incentivo, os valores de TFI e TFF passaram de R$ 26,83 e R$ 13,42 para R$5,68 e R$ 1,89 respectivamente, ou seja uma redução de quase 80% (BITENCOURT, 2014).

As operadoras Vivo, Tim, Claro, Oi entre outras já disponibilizam pacotes especiais paracomunicação M2M, em geral esses pacotes se diferenciam por serem planos pós-pagos e nãodisponibilizar serviços de voz ou SMS, apenas o tráfego de baixo volume de dados em 2G. AFigura 22 ilustra um exemplo de chip da operadora Vivo, não há diferença física entre o chipM2M e os comuns.

Figura 22: Chip SIM Card - M2M da operadora Vivo.


18 ZPS. Disponível em <http://zps.zuq.com.br/alugueis-de-chips-m2m/> Acessado em 01/2016

33

3 Materiais e Métodos

Neste Capítulo são apresentados os materiais e métodos para a construção do SmartModem, como passará a ser chamado a partir de agora, trata-se de uma placa que utiliza ummódulo de transmissão de dados, gerenciamento através de um microcontrolador de 8 bits,memória para o armazenamento temporário dos dados a serem transmitidos, configurações dousuário e sistema de alimentação. Também foram utilizados softwares para o desenvolvimentoda placa de circuito impresso (PCI), e para a programação do microcontrolador.

As seções que seguem apresentam os principais dispositivos que compõe o Smart Modem.

3.1 Módulo de Transmissão de Dados

O GC864 QUAD - V2 (GC. . . , 2012), ilustrado na Figura 23, é um dispositivo paracomunicação de voz e transmissão de dados desenvolvido pela Télit R© Wireless Solutions, suasespecificações são como as de um aparelho celular comum, mas é designado para aplicaçõesindustriais pois não tem nenhuma funcionalidade implementada, ou seja, para a sua utilização,se faz necessário projetar todo um sistema para o seu funcionamento.

Figura 23: Módulo GSM/GPRS GC864 QUAD - V2.

Fonte: Conteúdo da Web1.

O módulo é homologado pela Anatel e pode ser utilizado em aplicações onde a tecnologiaGSM/GPRS se faça necessária para transmissão de voz, SMS, dados, entre outras funções.

A comunicação com o módulo é serial UART2 nível CMOS 2.8V e usa comandos ATpadrão, bem como, alguns comandos AT3 estendidos próprios deste módulo.

1 GC864-QUAD V2. Disponível em <http://www.telit.com/products/product-service-selector/product-service-selector/show/product/gc864-quad-v2/> Acessado em 01/2016

2 UART - Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, ou Transmissão e Recepção Assíncrona Universal.3 Protocolo de comandos para controlar dispositivos de modem em rede telefônica.

34 Capítulo 3. Materiais e Métodos

3.1.1 Características de Aplicação

Os itens abaixo descrevem algumas aplicabilidades do módulo, existem outras funçõesdisponíveis, mas fogem do escopo deste trabalho.

• Opera nas quatro bandas das operadoras de telefonia GSM 850 / 900 / 1800 / 1900 MHz

• Dispõe de um socket especial para SIM Card

• Suporta mensagens SMS

• Pilha TCP/IP embutida incluindo protocolos TCP, IP, UDP, SMTP, ICMP e FTP

• UART com velocidade de até 115200 bps

3.1.2 Características Elétricas

Os itens abaixo mostram as principais especificações relacionadas à potência de trans-missão e recepção, consumo de corrente e tensão de alimentação, que foram consideradas noprojeto dos circuitos do Smart Modem.

• Potência máxima de saída de +33 dBm (2 W) nas frequências 850 / 900 MHz

• Potência máxima de saída de +30 dBm (1 W) nas frequências 1800 / 1900 MHz

• Consumo de 62 µA desligado

• Consumo de 1.5 mA em espera

• Consumo de 420 mA4 em transmissão GPRS com máxima potência

• Tensão de alimentação em 3.2 a 4.5 VDC (3.8 VDC recomendado)

• Sensibilidade de -107 dBm, tipicamente, nas frequências 850 / 900 MHz

• Sensibilidade de -106 dBm, tipicamente, nas frequências 1800 / 1900 MHz

• Interface de dados UART CMOS 2.8V

3.2 Microcontrolador

O MC9S08JM32 (MC9S08JM32, 2019), ilustrado na Figura 24, é um microcontroladordesenvolvido pela Freescale

TMSemiconductor, com arquitetura de 8 bits, 32 kB de memória de

programa, 2 kB de memória RAM, permite uma depuração passo-a-passo no programa facilitando

3.2. Microcontrolador 35

Figura 24: Microcontrolador MC9S08JM32.


muito a programação, fontes de interrupção em diversos periféricos, modos de operação embaixo consumo de energia, o que é imprescindível na atualidade.

O microcontrolador dispõe de muitas aplicações, a seguir são abordadas algumas funçõesdo microcontrolador utilizadas no projeto.

3.2.1 Modos de Operação

O microcontrolador trabalha basicamente com 3 modos de operação, RUN, WAIT eSTOP.

No modo RUN o funcionamento é normal, este modo é utilizado quando o microcontro-lador precisar executar instruções indefinidamente, geralmente se utiliza esse modo quando aestratégia de programação é polling6.

No modo WAIT a CPU é paralisada, todas as interrupções continuam habilitadas, todoo conteúdo de registradores e da memória RAM são preservados, os periféricos continuamoperando normalmente. Somente quando ocorre um evento de interrupção, o sistema volta aomodo RUN.

O modo STOP tem três formas de operação, funciona semelhante ao WAIT, com menorconsumo de energia, pois desligam mais periféricos e só podem ser "acordados"com interrupçõesespecíficas.

4 Corrente média, ocorrem picos de até 2 A na transmissão GPRS, dependendo da localização.5 Freescale Semiconductor MC9S08JM32CLH. Disponível em <https://octopart.com/mc9s08jm32clh-

freescale+semiconductor-7720905/> Acessado em 01/20166 Método de programação onde todas as rotinas de processamento são colocadas dentro do laço principal do

programa, o laço é repetido indefinidamente enquanto o microcontrolador está alimentado.


3.2.2 Principais Periféricos

São diversos os periféricos disponíveis no microcontrolador, serão apresentados osutilizados neste projeto.

3.2.2.1 Portas de Entrada e Saída

São disponibilizados 33 pinos de entrada e saída, a maioria deles tem funções com-partilhadas com periféricos do microcontrolador. Esse pinos podem fornecer ou drenar até 2mA, o limite máximo de corrente em todas as portas somadas não pode passar dos 100 mA.Por segurança, todos os pinos estão configurados como entrada por padrão, pois ficam em altaimpedância, diminuindo a chance de um curto circuito acidental.

3.2.2.2 Temporizador de 8 bits

Este temporizador nada mais é do que um contador de 8 bits, ou seja, conta de 0 a 255,incrementando a contagem de acordo com uma frequência que pode ser programada previamente,essa frequência de contagem pode ainda ser dividida por um fator programável (prescaler) de 1a 256, ou seja, existe várias opções em base de tempo para se trabalhar. Ao atingir a contagem, ocontador sinaliza uma flag7 que, se configurado, pode gerar uma interrupção. Utiliza-se esse tipode contador para se ter um controle preciso de tempo, sendo útil em muitas aplicações dentro doprograma.

3.2.2.3 Interface Serial Assíncrona (SCI)

O microcontrolador dispõe de duas interfaces UART padrão RS232, full duplex, comtratamento de interrupções e baud rate8 configurável. Essas interfaces são de suma importâncianesse projeto, já que permite todo o processo de fluxo dos dados.

3.2.2.4 Interface Serial I2C

Desenvolvida originalmente pela Philips, é uma interface de comunicação muito utilizadaem sistemas embarcados. Diferente da SCI, o I2C é um protocolo síncrono, sendo utilizadas duaslinhas para a comunicação, uma de dados e outra de clock. Sua grande vantagem em relaçãoa SCI é a possibilidade de endereçamento de até 127 dispositivos em um só barramento, émuito utilizado em memórias, conversores A/D, RTC, entre outros. Sua desvantagem é a difícilimplementação.

7 Flag é um bit dentro de um registrador.8 O termo é utilizado como medida de velocidade de transmissão de dados. Baud rate é frequentemente utilizado

como sinônimo de bits por segundo (bps), apesar de não ser tecnicamente verdadeiro.

3.3. Memória 37

3.2.3 Interrupções e Configurações

São disponibilizados 30 diferentes tipos de interrupção, as interrupções utilizadas nesteprojeto são do módulo serial SCI e contador de 8 bits.

No módulo SCI são utilizadas interrupção de linha ociosa, onde é emitido um avisoquando a serial termina de enviar dados, e uma interrupção de recebimento de dados, ou seja,quando há dados a serem recebidos.

Para o contador de tempo, é utilizada uma interrupção onde se configura varias funçõesde contagem de tempo, como funções de delay9 e de timeout10.


• Tensão de alimentação em de 2.7 a 5.5 VDC

• Consumo de 800 nA em modo STOP

• Consumo de 560 µA em modo WAIT

• Consumo de 4.33 mA em modo RUN

• Máxima frequência de clock em 48 MHz

3.3 Memória

A memória utilizada é a 24LC1025 (24LC1025, 2005), ilustrada na Figura 25, dafabricante Microchip R© Technology Inc., é do tipo não volátil EEPROM11, utiliza interface SerialI2C, com capacidade de 128 kB (131072 bytes ou caracteres) de armazenamento, permitindouma velocidade de gravação/leitura de até 400 kbits/s. A título de curiosidade, de acordo com(QUARESMA; PINHO, 2007) o comprimento médio das palavras na língua portuguesa é de4,64 caracteres por palavra, arredondando para 5 em razão da pontuação, e adicionando mais 1caractere ocupado pelo espaçamento entre as palavras, a memória teria a capacidade de armazenarum texto com aproximadamente 21845 palavras corridas.

9 Delay ou atraso é uma função de contagem de tempo onde literalmente se "pára"o programa pelo referidotempo.

10 Timeout ou tempo esgotado, trata-se de um metodologia de aplicação que monitora o tempo de execução decertas rotinas internas ao programa, de modo saber se o tempo de execução ultrapassa o tempo desejado.

11 É um tipo de memória não-volátil usada em dispositivos eletrônicos para armazenar pequenas quantidades dedados que precisam ser salvos quando a energia é removida.

12 24LC1025. Disponível em <http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?product=24LC1025/>Acessado em 01/2016


Figura 25: Memória 24LC1025.



• Tensão de alimentação em de 1.7 a 5.5 VDC

• Consumo em modo de espera 5 µA

• Consumo em modo de gravação 5 mA

• Consumo em modo de leitura 450 µA

• Máxima frequência de clock em 400 kHz

3.4 Regulador de Tensão

3.4.1 Regulador de Tensão Chaveado L5972D

O L5973D (L5973D, 2008), ilustrado pela Figura 26, é um regulador de tensão chaveadodo tipo Buck13 desenvolvido pela STMicroelectronics c© com capacidade de até 2 A de corrente.A tensão de entrada pode estar na faixa de 4 a 36 V, que é particularmente adequado para uso embarramentos de 5 ou 12 V disponíveis em muitas das aplicações relacionadas a eletrônica.

Figura 26: Regulador de Tensão Chaveado L5972D.


13 Conversor Buck ou conversor abaixador, é um circuito eletrônico utilizado para converter uma tensão cc(corrente contínua) em outra tensão cc de valor mais baixo.

14 STMicroelectronics L5973D. Disponível em <https://octopart.com/l5972d-stmicroelectronics-529236/> Aces-sado em 01/2016

3.4. Regulador de Tensão 39

A vantagem do L5973D é trabalhar com uma eficiência em torno de 90% por ser umregulador chaveado, superando e muito os reguladores lineares, que na melhor das hipótesesalcançam um rendimento de 50%. Na operação Low dropout, que permite que a tensão de entradaseja a mesma da saída, ou seja com 100% de razão cíclica, o rendimento é de aproximadamente100%, além disso conta com um sistema de baixa energia, onde através de um pino de controlepode-se levar o consumo a próximo de zero.

3.4.1.1 Características Elétricas

• Tensão de entrada na faixa de 4 a 36 VDC

• Tensão de saída na faixa de 1.2 a 35 VDC

• Corrente de saída de até 2 A

• Operação em Low dropout: 100% de razão cíclica

• Oscilador interno de 250 kHz

• Operação com corrente nula (carga infinita)

• Sistema de baixa energia

• Proteção contra sobretemperatura

3.4.2 Regulador de Tensão Linear LP2981

O LP2981 (LP2981, 2013), ilustrado pela Figura 27, é um regulador de tensão linearfabricado pela Texas Instruments c© com capacidade de até 100 mA de corrente. A tensão desaída é fixa em 3.3 V, exige uma tensão de entrada de no mínimo 3.5 V para seu funcionamentoadequado.

Figura 27: Regulador de Tensão Linear LP2981.


Este tipo de regulador é recomendado para circuitos de baixa potência, como o domicrocontrolador. Este modelo em específico, também tem um modo de funcionamento em baixaenergia, ou seja, em modo de espera, essa característica é muito importante para o projeto doSmart Modem.15 LP2981-3.3. Disponível em <http://aliot.com.ua/?item=24997&cat=4520/> Acessado em 01/2016


3.4.2.1 Características Elétricas

• Tensão de entrada na faixa de 3.5 a 16 VDC

• Tensão de saída em 3.3 VDC

• Corrente de saída de até 100 mA

• Sistema de baixa energia

3.5 Ambiente Proteus

Para a confecção da placa, foi utilizado o Proteus 8 da Labcenter Eletronics Ltd., trata-sede um software para simulação de circuitos eletrônicos e desenvolvimento de PCIs, que contémdois ambientes de trabalho, o "ISIS"e o "ARES".

3.5.1 O ISIS

O ISIS é utilizado para a construção dos esquemáticos arranjando-se os elementos quecompõem o circuito, cada um deles são representados por uma simbologia padronizada decomponentes eletrônicos tornando intuitivo o processo. Define-se também as característicasfísicas (encapsulamento) de cada um desses elementos. Neste projeto, a maioria dos elementossão SMD (Surface Mounting Device - Componente de Montagem em Superfície).

3.5.2 O ARES

O ARES é o ambiente em que se constrói o layout das PCIs, importa todos os elementosutilizados nos circuitos desenvolvidos no ISIS e permite ao usuário configurar livremente oposicionamento desses componentes, o roteamento do circuito, a escolha da largura das trilhas,a utilização de vias, os plano de terra, podendo essas ações serem feitas de forma manual ouautomática.

3.6 Ambiente Codewarrior

Para a programação do microcontrolador, disponibilizado pela FreescaleTM

Semiconduc-

tor, esse ambiente de programação permite ao projetista fazer simulação, gravação e depuraçãopara os microcontroladores e microprocessadores da marca. Nesta versão é utilizada a plataformaEclipse que é gratuita e de código aberto, esta plataforma vem se tornando um padrão cada vezmais utilizado em empresas que desenvolvem projetos de software.

Neste projeto, o desenvolvimento do código de será feito em linguagem C.

41

4 Desenvolvimento

Neste Capítulo são apresentados os detalhes de implementação do hardware para aconstrução do Smart Modem, com destaque para os vários subsistemas necessários para aviabilidade do projeto.

Figura 28: Diagrama de Blocos do Smart Modem.

Fonte: Autor.

O diagrama de blocos da Figura 28 ilustra o sistema do Smart Modem subdivididoem Alimentação, Gerenciamento e Armazenamento, Transmissão e Interface de dados. Osbarramentos em cor azul representam linhas de alimentação e os barramentos em cor vermelhorepresentam conexões de dados.

4.1 Placa de Transmissão de Dados

4.1.1 Sistema de Alimentação

Para projetar o sistema de alimentação, foram consideradas as especificações do mó-dulo GC864 QUAD - V2, já que estas especificações tinham prioridade e automaticamentecontemplavam os demais dispositivos da placa.

42 Capítulo 4. Desenvolvimento

O primeiro requisito foi quanto a tensão de alimentação que deveria ser de 3.8 V, osegundo e mais importante requisito era relativo a corrente que o módulo drena em transmissão,que segundo a folha de dados pode chegar a 2 A, pois o sistema GPRS transmite em rajadasde pacotes de dados numa frequência base de 216 Hz, portanto a fonte de alimentação deveriasuportar esses transientes sem queda significativa de tensão.

Para observar esse fato, foi feito um experimento utilizando um multímetro digitalde bancada da marca Agilent Technologies modelo 3441A, este equipamento tem função dedatalogger1 e interface com computador em ambiente Windows. Foi possível então observar ocomportamento de consumo de corrente em transmissão, como pode ser visto na Figura 29.

Figura 29: Gráfico da corrente drenada pelo GC864 QUAD - V2, gerado no Matlab.

Fonte: Autor.

No momento do teste, houveram vários picos de corrente em torno de 1 A, porém aduração era muito pequena, foi utilizado uma fonte linear de tensão de bancada para alimentar ocircuito, a fim de que não houvesse quedas de tensão que pudessem comprometer as medidas.

A partir desta comprovação, foi iniciado o projeto do regulador de tensão, a folha dedados do GC864 QUAD - V2 sugere o uso de regulador chaveado quando se utiliza fontes detensão acima de 5 V. Geralmente, utilizam-se baterias de 12 V nas estações de aquisição dedados, portanto optou-se por seguir a recomendação. O modelo escolhido foi o L5973D.

4.1.1.1 Projeto de circuito com o L5973D

A STMicroelectronics c© disponibiliza em seu site um aplicativo para ajudar o projetistaque utiliza seus componentes, bastando inserir as especificações desejadas e é retornado o projetocompleto do circuito.

Utilizou-se as seguintes especificações:

A Figura 30 mostra o projeto gerado pelo sistema, são ainda fornecidos sugestões decomponentes comerciais para serem utilizados, facilitando muito a escolha destes.1 Datalogger é um equipamento auxiliar que coleta e armazena dados de outros instrumentos.

4.1. Placa de Transmissão de Dados 43

Tabela 5: Dados de projeto para o circuito do L5973D.

Tensão de entrada 4 a 16 VTensão de saída 3.8 VCorrente de saída 1 A

Figura 30: Circuito do Regulador de Tensão gerado pela STMicroelectronics c©.

Fonte: Autor.

Foi escolhida a corrente de 1 A para este projeto, pois ao analisar a Figura 29, observou-seque largura dos pulsos de alta corrente eram muito estreitas, e o fator de demanda de correntenessa ordem de grandeza é mínima se comparada ao resto do sistema. Para chegar a essaconclusão, foi levado em conta que o processo de transmissão do modem ocorre com umafrequência muito menor do que os processos dos demais componentes da placa. Em razão disso,foi então considerado a corrente média máxima de 420 mA como fator determinante do projeto.

No Proteus foi feito a transcriação do circuito anterior, Figura 30, com algumas mudanças,como ilustra a Figura 31(a).

A Tabela 6 apresenta os componentes utilizados para o circuito do regulador:

O pino “INH” nomeado como “HAB” tem a função de habilitar/desabilitar o L5973D,para habilitar deve ser aterrado, para desabilitar deve ser colocado em nível alto ou deixado emaberto, pois existe um resistor pull-up2 interno. Para o seu controle se fez necessário a utilizaçãode um transistor para o acionamento através do microcontrolador, Figura 31(e).

Para a proteção contra inversão de polaridade na alimentação da placa, foi utilizado umdiodo do tipo Schottky de baixa tensão de polarização, Figura 31(d).

Foram introduzidos os componentes RL e DZ, sendo o primeiro um resistor de valorindeterminado e o segundo um diodo Zener de 4.3 V. Na verdade estes componentes foram

2 Pull-up são resistores usados para garantir que entradas para sistemas lógicos se ajustem em níveis esperados sedispositivos externos são desconectados.


Figura 31: Esquemático do circuito do regulador de tensão L5973D no Proteus.

Fonte: Autor.

Tabela 6: Lista de componentes para o circuito do L5973D.

Qtd. Componente Especificação Encapsulamento1 Conversor Buck L5973D HSOP 81 Indutor 39 µH 4.1 A SMD1 Diodo MBR1020VL 1 A, 340mV Schottky SMD1 Diodo STPS2L25U 2 A, 25 V Schottky SMD1 Resistor 3.3 kΩ, 0.1%, 0.1 W 08051 Resistor 4.3 kΩ, 0.1%, 0.1 W 08051 Resistor 6.8 kΩ, 0.1%, 0.1 W 08051 Resistor 43 kΩ, 0.1%, 0.1 W 08051 Resistor 47 kΩ, 0.1%, 0.1 W 08051 Capacitor 22 pF, 5%, 50 V 08051 Capacitor 10 nF, 5%, 50 V 08051 Capacitor 10 µF, 10%, 25 V 08051 Capacitor 330 µF, 6.3 V Tântalo SMD

inclusos no esquemático com o objetivo de reservar espaço para uma possível solução deproblemas de instabilidade e overshoot3 que poderia ser gerado pelo LD973D.

Os demais subcircuitos na Figura 31(b) e 31(c) são discutidos ainda nesta seção.

3 Em teoria de controle, o overshoot ocorre quando um sinal ou função excede o seu limite momentaneamente,antes de entrar em estabilidade.


4.1.1.2 Projeto de Circuito com o LP2981

O projeto deste regulador foi mais simples, a folha de dados do fabricante fornece osdados necessários para a implementação do circuito, como ilustrado na Figura 32.

Figura 32: Esquemático do circuito do regulador de tensão LP2981 no Proteus.

Fonte: Autor.

O fabricante recomenda o uso de capacitores na entrada e na saída do circuito, parafiltrar componentes em alta frequência, bem como a compensação em variações bruscas nacarga. Assim como no anterior, neste regulador foi implementado um pino de habilitar/desabilitaro LP2981, pino “HAB_33”, nesse caso foi preciso um resistor pull-up externo, para deixá-lohabilitado por padrão. Uma característica importante a ser observada é que a faixa de tensão dealimentação a ser utilizada no Smart Modem, tem o limite mínimo de 4 V definido pelo L5973De o máximo de 16 V definido pelo LP2981.

A Tabela 7 apresenta os componentes utilizados para o circuito do regulador:

Tabela 7: Lista de componentes para o circuito do LP2981.

Qtd. Componente Especificação Encapsulamento1 Regulador de Tensão LP2981 SOT 231 Capacitor 10 µF, 10%, 25 V 08051 Capacitor 10 µF, 6.3 V Tântalo SMD1 Resistor 10 kΩ, 0.1%, 0.1 W 0805

4.1.2 Sistema de Gerenciamento e Armazenamento

Desse sistema fazem parte o microcontrolador, a memória e os demais componentesnecessários para os circuitos.

4.1.2.1 Projeto de Circuito com o Microcontrolador MC9S08JM32

A folha de dados do MC9S08JM32 fornece o circuito mínimo necessário para o funcio-namento do microcontrolador, a Figura 33 ilustra, na esquerda, o microcontrolador, ao centro ocristal oscilador externo, e à direita o circuito para a gravação e depuração.


Figura 33: Esquemático do circuito do MC9S08JM32 no Proteus.

Fonte: Autor.

Sua alimentação provém do LP2981 com tensão de 3.3 V. Como especificado na folha dedados do MC9S08JM32, foram utilizados os capacitores “C6” Figura 32, e “C7” Figura 33(b), afim de suprimir ruídos de alta frequência, para melhorar ainda mais essa proteção, foi adicionadoo capacitor “C8” de 4.7 µF.

O oscilador interno do microcontrolador é baseado em circuito RC (resistor e capacitor),esse tipo de circuito é susceptível a variação de sua frequência de operação em razão da tempera-tura, e por natureza possui menor precisão do que um oscilador de cristal externo. Desta formaoptou-se pela utilização de um cristal oscilador externo de 4 MHz, como mostra o circuito naFigura 33(c).

Os dois circuitos de LED, Figura 33(d) e 33(e) foram colocados a fim de sinalizar ostatus do Smart Modem, detalhes de seu funcionamento são apresentados posteriormente.

Os terminais ilustrados na Figura 33(b) recebem diversas nomenclaturas a fim de facilitara construção do esquemático, neste contexto não convém abordar os detalhes de cada pinojá que não atribuirá nenhum conhecimento substancial no escopo do trabalho, porém essasnomenclaturas indicam as conexões entre os componentes e podem ser citadas ao longo dotrabalho a fim de melhor entendimento.

No microcontrolador existem basicamente as seguintes conexões:

• Barramentos da interface Serial UART (pinos 8, 9, 43 e 44)

• Barramentos da interface Serial I2C (pinos 40 e 41)

• Barramento do oscilador externo (pinos 37 e 38)

• Barramento para gravação e depuração BDM (pinos 3 e 11)


• Controle de Fluxo (pinos 5, 6, 14, 15, 29 e 30)

• Portas de Entrada/Saída programáveis (pinos 1, 27, 28 e 42)

• Interface com o GC864 QUAD - V2 (pinos 13, 21, 22, 23 e 24)

• Interface com o L5973D (pino 25)

• Sinalização visual (pinos 26 e 34)

Os pinos 18, 19 e 20 estão relacionados à interface USB, não implementada neste projeto.A Tabela 8 apresenta os componentes utilizados para o circuito do microcontrolador:

Tabela 8: Lista de componentes para o circuito do MC9S08JM32.

Qtd. Componente Especificação Encapsulamento1 Microcontrolador MC9S08JM32 LQFP1 Cristal Oscilador LF A120E 4 MHz SMD2 LED SMD 08052 Capacitor 10 pF, 10%, 25 V 08052 Capacitor 100 nF, 10%, 25 V 08051 Capacitor 4.7 µF, 10%, 25 V 08052 Resistor 330 Ω, 0.1%, 0.1 W 08051 Resistor 6.8 kΩ, 0.1%, 0.1 W 08051 Resistor 2 MΩ, 0.1%, 0.1 W 0805

4.1.2.2 Projeto de Circuito com a Memória 24LC1025

Para a utilização da memória 24LC1025, a folha de dados do fabricante especificaalgumas características em relação a alimentação, velocidade de operação, endereçamento dedispositivo e proteção de gravação.

Figura 34: Esquemático do circuito do 24LC1025 no Proteus.

Fonte: Autor.

Para tensão de alimentação menores que 4.5 V, a frequência do clock da memória deveser de no máximo 100 kHz. A frequência do clock está diretamente ligada a velocidade deleitura/gravação em kbits/s.


Como mostrado na Figura 34(a), os pinos 1 e 2 tem a função de “chip select” ouseja, permite ao usuário fazer uma combinação de até quatro módulos de memória no mesmobarramento, neste caso em que se usa apenas uma memória optou-se por aterrá-los, sendo assim,o endereço a ser utilizado fica sendo “00”. O pino 3 também tem função de endereçamento,porém é obrigatório o seu uso em nível alto. O pino 7 tem a função de proteção contra gravação,se o nível de tensão for alto, a proteção fica ativada, impedindo as operações de gravação emantendo as operações de leitura, se o nível de tensão for baixo, as operações de gravação eleitura ocorrem normalmente.

O barramento I2C exige resistores de pull-up nas linhas SDA e SCL, Serial Data eSerial Clock respectivamente, Figura 34(b), a folha de dados especifica resistores de 10 kΩ parafrequência de clock de 100 kHz.

Por uma característica do Proteus, os pinos relativos a alimentação não aparecem nesteesquemático, mas estão ligados ao mesmo circuito de alimentação do microcontrolador. Damesma forma feita anteriormente, foi colocado o capacitor “C12” no barramento de alimentação,próximo da memória.

A Tabela 9 apresenta os componentes utilizados para o circuito da memória:

Tabela 9: Lista de componentes para o circuito do 24LC1025.

Qtd. Componente Especificação Encapsulamento1 Memória EEPROM 24LC1025 SOIJ1 Capacitor 4.7 µF, 10%, 25 V 08052 Resistor 10 kΩ, 0.1%, 0.1 W 0805

4.1.3 Sistema de Transmissão

Este sistema é composto pelo módulo de transmissão, circuitos de acionamento e adapta-ção de nível de tensão.

4.1.3.1 Projeto de Circuito com o GC864 QUAD - V2

A Figura 35 ilustra, o esquemático do GC864 QUAD - V2, Figura 35(a), circuitos deadaptação para os níveis de tensão nas linhas de comunicação Serial UART com o MC9S08JM32,Figura 35(b), circuitos de acionamento para controle do modem por parte do microcontrolador,Figura 35(c) e 35(d), e sinalização visual de status de operação, Figura 35(e).

Como dito anteriormente, o GC864 QUAD - V2 recomenda uma tensão de 3.8 V paraa alimentação, contudo é permitida uma variação de 3.4 a 4.2 V sem comprometimento dosistema. Como nos circuitos anteriores, foram colocados os capacitores “C13” e “C14” a fimde suprimir ruídos de alta frequência, neste caso a motivação é mais forte por dois motivos:


Figura 35: Esquemático do circuito do GC864 QUAD - V2 no Proteus.

Fonte: Autor.

primeiro, uma fonte chaveada, por melhor que seja o projeto sempre será fonte de ruído, segundo,os transientes de corrente oriundos do GC864 QUAD - V2, quando em transmissão, podemacarretar em queda de tensão na fonte, se essa queda for inferior a 3.4 V, o GC864 QUAD - V2 édesligado instantaneamente.

A interface Serial UART do GC864 QUAD - V2 utiliza nível CMOS 2.8 V, o que impedeuma conexão direta com o MC9S08JM32, já que este último opera em 3.3 V. Foi necessárioentão fazer uma adaptação para os níveis de tensão. A Tabela 10 contém os valores de tensão deoperação nas interfaces do GC864 QUAD - V2 e do MC9S08JM32:

Tabela 10: Níveis de Tensão na Interface Serial.

GC864 QUAD - V2 MC9S08JM32Nível Lógico Min. Max. Min. Max.

Entrada Alto 2.1 3.1 2.3 3.3Baixo 0 0.5 0 1.2

Saída Alto 2.2 3.0 2.5 3.3Baixo 0 0.4 0 0.8


Quando o sentido da transmissão é do GC864 QUAD - V2 para o MC9S08JM32, osníveis de tensão são de certa forma compatíveis, já no sentido contrário não há compatibilidade,tanto em nível alto quanto em nível baixo podem haver sobretensão por parte do MC9S08JM32.Para atenuar o nível de tensão, foram utilizados os circuitos divisores de tensão, ilustrados naFigura 35(b).

O circuito na Figura 35(c) tem a função de reset forçado, necessário para situações detravamento do GC864 QUAD - V2.

O circuito na Figura 35(d) tem a função de inicializar o GC864 QUAD - V2, pois estenecessita de um pulso em nível baixo por pelo menos 1 segundo para a inicialização.

O circuito na Figura 35(e) aciona um led que tem a função de sinalizar o status defuncionamento do GC864 QUAD - V2.

A Tabela 11 apresenta os componentes utilizados para o circuito do transmissor:

Tabela 11: Lista de componentes para o circuito do GC864 QUAD - V2.

Qtd. Componente Especificação Encapsulamento1 Módulo GSM/GPRS GC864 QUAD - V23 Transistor Mosfet IRLML2402TR SOT 231 LED SMD 08051 Capacitor 100 nF, 10%, 25 V 08051 Capacitor 4.7 µF, 10%, 25 V 08053 Resistor 330 Ω, 0.1%, 0.1 W 08052 Resistor 3.3 kΩ, 0.1%, 0.1 W 08052 Resistor 4.3 kΩ, 0.1%, 0.1 W 08053 Resistor 47 kΩ, 0.1%, 0.1 W 0805

4.1.4 Interfaces

Foi disponibilizado três interfaces na placa, dados, depuração e extensão.

4.1.4.1 Dados

Esta é a principal interface da placa, pois tem a função de fazer a comunicação entre umdispositivo externo (terminal de dados) e o Smart Modem. A Figura 36 ilustra o esquemático doconector de dados, chamado “DATA” a partir daqui.

Os pinos nomeados como “RXD” e “TXD” foram conectados diretamente à interfaceSerial UART do MC9S08JM32, os pinos “CTS” e “RTS” foram disponibilizados para uso decontrole de fluxo de dados por hardware, de início não são utilizados, já que foi desenvolvidoum protocolo de comunicação de dados para o Smart Modem.


Figura 36: Esquemático da interface de dados no Proteus.

Fonte: Autor.

O pino “HAB_33” tem a função de habilitar/desabilitar o regulador de tensão LP2981,desligará toda o sistema uma vez que for aterrado, se colocado em nível lógico alto ou deixadoem aberto, a placa funcionará normalmente.

4.1.4.2 Depuração

Essa interface permite a observação das atividades de dados na linha Serial UART entre oMC9S08JM32 e o GC864 QUAD - V2. Esta aplicação geralmente é voltada ao desenvolvedor, jáque a codificação é essencialmente sob comandos AT, necessitando de conhecimento do códigofonte implementado.

Figura 37: Esquemático da interface de depuração no Proteus.

Fonte: Autor.

A Figura 37 ilustra os esquemáticos do conector “DEBUG”, Figura 37(a), do jumper deseleção “RXF”, Figura 37(b) e os circuitos divisores de tensão para adequação de nível de tensãocom o GC864 QUAD - V2, Figura 37(c).

O conector “DEBUG” tem o mesmo aspecto funcional do conector “DATA” assim comoos circuitos divisores de tensão em relação a interface serial discutidos anteriormente.

O jumper “EXT” permite a escolha da linha a ser observada, já que o sistema decomunicação Serial UART necessita de duas linhas para uma comunicação full-duplex.

4.1.4.3 Extensão

Esta interface disponibiliza 4 pinos para aplicação de extensão, nomeados de “A” a “D”,como ilustra a Figura 38.

Os pinos “A” e “B” podem ser usados para entrada e saída, interrupção externa ou paraconversão A/D, já os pinos “C” e “D” tem apenas função de entrada e saída normais.


Figura 38: Esquemático da interface de extensão no Proteus.

Fonte: Autor.

4.1.5 Layout da Placa

A partir dos subcircuitos discutidos, iniciou-se a construção do layout da placa. O layout

consiste na ordenação dos componentes integrantes do circuito em um espaço com as dimensõesda placa a ser elaborada. A seguir são discutidas as etapas realizadas.

4.1.5.1 Escolha dos Componentes

Seguindo a tendência onde, cada vez mais se busca miniaturizar os equipamentos eletrô-nicos para melhor aproveitamento de espaço, optou-se pelo uso de componentes SMD4, sendoa maioria em encapsulamento 0805 (resistores e capacitores), obtendo-se assim uma placa dedimensões reduzidas.

A Figura 39 traz alguns exemplos de componentes SMD com a escala em milímetros,nota-se que são dimensões bem reduzidas.

Figura 39: Exemplos de Componentes SMD.


A Tabela 12 traz todos os componentes utilizados na placa, suas quantidades e valores,incluindo os conectores.

Tabela 12: Lista completa de componentes utilizados.

Qtd. Componente Especificação Encapsulamento Preço US$ Total US$1 Conversor Buck L5973D HSOP 8 2.30 2.30

1 Regulador de Tensão LP2981 SOT 23 0.50 0.50

1 Microcontrolador MC9S08JM32 LQFP 3.77 3.77

4 SMD (Surface Mounted Devices), ou dispositivos de montagem superficial é um método de construção decircuitos eletrônicos nos quais os componentes são montados diretamente sobre a superfície da placa de circuitoimpresso, permitindo o aproveitamento de ambas as faces.

5 SMD (Surface Mount Device). Disponível em <http://www.fpga4fun.com/SMD.html/> Acessado em 01/2016.


1 Módulo GSM/GPRS GC864 QUAD - V2 29.51 29.51

1 Memória EEPROM 24LC1025 SOIJ 2.88 2.88

1 Cristal Oscilador LF A120E 4 MHz SMD 0.87 0.87

4 Transistor Mosfet IRLML2402TR SOT 23 0.29 1.16

1 Indutor 39 µH 4.1 A SMD 3.00 3.00

1 Diodo MBR1020VL 1 A SMD 0.11 0.11

1 Diodo STPS2L25U 2 A SMD 0.47 0.47

3 LED SMD 0805 0.06 0.18

2 Capacitor 10 pF, 10%, 25 V 0805 0.03 0.06

1 Capacitor 22 pF, 5%, 50 V 0805 0.14 0.14

1 Capacitor 10 nF, 5%, 50 V 0805 0.02 0.02

3 Capacitor 100 nF, 10%, 25 V 0805 0.03 0.09

2 Capacitor 4.7 µF, 10%, 25 V 0805 0.17 0.34

3 Capacitor 10 µF, 10%, 25 V 0805 0.12 0.36

1 Capacitor 10 µF, 6.3 V Tântalo SMD 0.82 0.82

1 Capacitor 330 µF, 6.3 V Tântalo SMD 1.68 1.68

1 Resistor 0 Ω, 0.1%, 0.1 W 1206 0.03 0.03

7 Resistor 330 Ω, 0.1%, 0.1 W 0805 0.13 0.91

5 Resistor 3.3 kΩ, 0.1%, 0.1 W 0805 0.13 0.65

4 Resistor 4.3 kΩ, 0.1%, 0.1 W 0805 0.20 1.00

2 Resistor 6.8 kΩ, 0.1%, 0.1 W 0805 0.16 0.32

3 Resistor 10 kΩ, 0.1%, 0.1 W 0805 0.17 0.51

1 Resistor 43 kΩ, 0.1%, 0.1 W 0805 0.16 0.16

4 Resistor 47 kΩ, 0.1%, 0.1 W 0805 0.14 0.54

1 Resistor 2 MΩ, 0.1%, 0.1 W 0805 0.18 0.18

1 Conector 80 pinos fêmea Molex 54150 4.29 4.29

1 Conector 2x1 pinos macho Through-Hole6

1 Conector 2x1 pinos fêmea Through-Hole




56.85

Nota: Os valores dos componentes foram apresentados a fim de se ter uma estimativa em termosde custos, esses valores não podem ser analisados levando em consideração a construção de umaplaca apenas, pois variam conforme a quantidade a ser comprada. Além disso, esses componentes6 Through-Hole é uma tecnologia de montagem de componentes eletrônicos em que se envolve o uso de pinos

que são inseridos em furos abertos nas placas e soldados na superfície do lado oposto.


são importados, o que envolve outros custos que não serão abordados aqui, já que este trabalhonão tem o objetivo de analisar processos de produção em massa. O LA2I desenvolve muitosoutros projetos eletrônicos, portando já dispõe de alguns desses componentes.

4.1.5.2 Distribuição dos Componentes

O ARES possui em sua biblioteca o footprint7 de cada elemento utilizado nos circuitos.

Ao importar os subcircuitos do ISIS para o ARES, os elementos de circuito ficamdispostos no espaço delimitado da placa escolhido pelo projetista, essa função do ARES levao nome de Auto Placer. Na prática esse recurso não é eficiente quando se tem projetos commuitos componentes em um espaço reduzido, pois a disposição dos elementos dificilmente seráadequada. Os componentes foram adicionados um a um e arranjados de forma manual, essemétodo é mais trabalhoso porém muito eficiente. Essa fase deve ser bem executada para que oroteamento exija o mínimo de vias8 na placa de circuito impresso.

A Figura 40 ilustra como foram dispostos os componentes na placa, a esquerda o lado decima e a direita o lado de baixo.

No lado de cima da placa (imagem da esquerda) ficaram os componentes dos circuitosde alimentação, logo abaixo os três leds de sinalização, ao centro o módulo GPRS e por últimoos conectores de interface e jumper.

Do outro lado (imagem da direita) ficaram os componentes dos circuitos de memória,microcontrolador, gravador/depurador (BDM) e de acionamento.

4.1.5.3 Roteamento

Para fazer o roteamento da placa, se faz necessário a configuração de alguns parâmetrosrelativos às trilhas a serem usadas. O ARES permite que se configure esses parâmetros, quesão: espessura padrão da trilha, distância mínima entre duas trilhas, distância mínima entretrilhas e componentes em relação ao plano de terra, planos de terra, entre outros. Utilizou-seespessura mínima de trilha em 15 th9, e distância mínima com o plano de terra de 20 th, os demaisparâmetros foram deixados como padrão do ARES. A espessura da trilha pode ser alterada aqualquer momento, onde o projetista escolhe manualmente a espessura desejada. Feito isso,foram inseridos os planos de terra.

Para placas de circuito impresso, é uma boa prática fazer uma separação entre os setoresanalógicos e digitais, como pode ser visto na Figura 41. Comparando com a figura anterior,pode-se notar que o um plano de terra contempla o circuito de alimentação (circuito analógico) eo outro plano de terra contempla os circuitos dos dispositivos (circuitos digitais).

7 Footprint é a representação gráfica da base soldável de um componente em uma placa de circuito impresso.8 Vias são furos que tem a função de transpor trilhas entre os lados das placas de circuito impresso.9 O “th” é uma medida de espessura em milésimos de polegada, onde 1 th = 0.001 pol


Figura 40: Distribuição dos componentes na placa - footprint.

Fonte: Autor.

Nesse caso específico, o circuito analógico é que pode causar interferência nos circuitosdigitais, visto que a fonte chaveada produz ruído, como discutido nas seções anteriores. Aosepará-los, nenhuma região de um plano de terra pode ser caminho de retorno do outro, issoevita ruídos no sistema.

Os planos são interligados através de um resistor de 0 Ω próximo ao conector da fonte dealimentação externa, de modo que a distância seja a máxima possível entre os planos.

Pode-se observar também que não há sobreposição dos planos de terra entre as faces daplaca, isso permite reduzir efeitos de campo elétricos ou ruídos capacitivos.

Depois de pronto, o Proteus gera arquivos gerber de todo o projeto, esses arquivos contémem código de texto todas as informações necessárias para a construção da placa por empresasespecializadas.

O Proteus tem uma ferramenta de simulação que dá uma prévia da placa pronta, comomostra a Figura 42.


Figura 41: Planos de terra: o terra digital e o terra analógico.

Fonte: Autor.


Figura 42: Prévia da placa em 3D.

Fonte: Autor.


4.2 Sistema Operacional

Nesta Seção serão discutidos os detalhes relativos ao desenvolvimento em software parao Smart Modem, no que se refere as funcionalidades utilizadas no microcontrolador, a estruturado programa de gerenciamento e a lógica de operação do sistema como um todo.

4.2.1 Configurações Iniciais

O desenvolvimento do código de programação se deu integralmente no Codewarrior10.6. O Codewarrior permite ao usuário a utilização de bibliotecas pré-programadas para osmicrocontroladores, através de uma ferramenta chamada Processor Expert, a qual inicializade forma rápida os módulos do microcontrolador tais como entradas e saídas, conversor ana-lógico/digital, temporizadores, interfaces serial, entre outros, gerando inclusive funções emcódigo de linguagem C prontas para serem utilizadas. Neste projeto, optou-se por não utilizar oProcessor Expert pois essa opção reduz muito o controle do programador sobre o código gerado.

Dessa forma, as configurações foram todas feitas diretamente nos registradores domicrocontrolador, este método é mais trabalhoso mas garante total controle do sistema por partedo programador. Com base na folha de dados do microcontrolador, foram realizadas todas asconfigurações dos periféricos utilizados.

4.2.1.1 Oscilador Externo

Para a utilização do oscilador externo, foram necessárias algumas configurações nosregistradores do módulo de geração de clock. O cristal utilizado foi de 4 MHz, dessa formautilizou-se um multiplicador interno para se obter a frequência de barramento de 16 MHz paraoperação do sistema.

4.2.1.2 Interface Serial UART

O microcontrolador contém dois módulos UART denominados SCI 1 e SCI 2. O primeirofoi aplicado à entrada dos dados na placa e o segundo à comunicação entre o microcontrolador e omódulo GPRS. Ambos foram configurados em termos de velocidade e atividades de interrupção,que serão descritos a seguir.

Para a configuração da velocidade, a folha de dados disponibiliza uma tabela de acordocom a frequência de clock utilizada. Configurou-se os dois módulos para operação em 9600 bps.

Foram utilizadas quatro tipos de interrupção:

• A (IRC) Interrupção de Recepção Completa é gerada quando for detectada uma atividadena linha de recepção, ou seja, ao chegar um dado no receptor o módulo gera uma interrup-ção provocando um desvio do programa para uma função especifica, chamada vetor de

4.2. Sistema Operacional 59

interrupção, essa função é utilizada pelo usuário para ler o dado no buffer de recepção earmazená-lo em uma variável por exemplo.

• A (IRO) Interrupção de Receptor Ocioso é gerada quando for detectada ociosidade nalinha de recepção, situação contrária a anterior. Essa função é importante na recepçãode dados quando se usa protocolo de comunicação, pois facilita a detecção dos frames10

recebidos. Uma característica importante dessa interrupção é que sua ocorrência se dáapenas uma vez após o ultimo byte recebido, mesmo que a linha fique ociosa por tempoindeterminado.

• A (ITC) Interrupção de Transmissão Completa é gerada quando se é detectado que obuffer11 está vazio, ou seja, quando um byte é transferido do buffer para o shift register12

de transmissão. Essa é uma boa forma do programador enviar uma cadeia de caracteressem precisar ficar em loop, pois cada caractere demora em torno de 1 ms para ser enviado,a 9600 bps, o que é totalmente impraticável.

• A (ITO) Interrupção de Transmissor Ocioso é gerada quando for detectado que a linha detransmissão está ociosa. Muito semelhante a interrupção anterior, se ativada, essa interrup-ção dispara assim que a linha de transmissão não estiver sendo utilizada, é necessário quehaja uma primeira interrupção que dará início ao envio da cadeia de caracteres referidaanteriormente.

Figura 43: Interrupções da Interface Serial UART.

Fonte: Autor.

Na Figura 43, os blocos em vermelho, amarelo, azul e cinza representam o eventocondicional, como se fosse um gatilho, assim que uma das condições ocorressem, a respectiva10 Frame ou quadro, nesse contexto, diz respeito a um pacote de dados composto por diversas informações de

controle de fluxo, tratamento de erros e mensagem (dado de interesse).11 Buffer é uma região de memória temporária utilizada para escrita e leitura de dados.12 Shift Register ou registrador de deslocamento são elementos de circuitos digitais que fazem conversão de dados

serie-paralelo ou paralelo-serie.


interrupção se daria. Logicamente essas interrupções devem ser trabalhadas em conjunto comoutras funções e condições, do contrário não há nenhuma utilidade, podendo levar o sistema ainstabilidade, em um loop de realimentação infinita.

Com o uso dos três vetores de interrupção apresentados foi possível implementar umarotina de transmissão e recepção de dados robusta, em que o microcontrolador passa a trabalharpor demanda. A principal vantagem está na otimização do programa, já que com o uso dasinterrupções torna-se possível a execução de tarefas quase que simultaneamente no microcontro-lador, essa característica é muito importante em sistemas multitarefas, pois não é possível ficaraguardando uma atividade qualquer enquanto outras rotinas estejam sendo processadas.

Por último, o uso de interrupções diminui o consumo de energia do microcontrolador,pois estatisticamente na maioria do tempo não existem atividades a serem executadas, desse modopodemos colocá-lo em um modo de baixo consumo de energia. Somente quando ocorre umainterrupção volta-se ao modo de operação, ao tratar a interrupção o sistema volta novamente aomodo de baixo consumo de energia. Essa estratégia é muito útil em sistemas que são alimentadospor baterias.

Não basta a configuração dos registradores para habilitar as interrupções desejadas,cada interrupção dispõe de uma função no programa, que ao ser chamada, executa instruçõescomo em qualquer outra função. Sendo assim, foram implementadas funções de tratamentodas interrupções para o gerenciamento de recepção e envio dos dados. O funcionamento dessasfunções serão descritas a seguir.

4.2.1.2.1 Interrupção na Recepção

A Figura 44 apresenta um fluxograma que descreve as rotinas de interrupção na recepçãode dados pela SCI 1 e SCI 2.

A interrupção de recepção na serial pode ocorrer por dois motivos: com a chegada de umdado gerando uma IRC ou quando a linha fica ociosa gerando uma IRO.

Logo no início da interrupção, faz-se a leitura do registrador de dados.

Se a interrupção for uma IRC, será verificado se há espaço no Buffer In13 para armazenaro dado recém chegado. Caso positivo, o dado é armazenado no Buffer In e a interrupção éencerrada. Caso negativo o dado se perde e o controle de fluxo é ativado (podendo este ser porsoftware ou por hardware).

Se a interrupção for uma IRO, é chamada a função “Recebe_Serial(vetor)” no qualdescarrega os dados contidos do Buffer In em “vetor”, e a interrupção é encerrada. A partir disto,os dados recebidos ficam disponíveis em “vetor”e o Buffer In é limpo.13 O Buffer In nada mais é que um vetor do tipo caractere de tamanho qualquer, esse vetor tem a função de

armazenamento temporário dos dados de entrada, em fila, até que o sistema operacional leia esses dados. Amedida que o sistema operacional vai lendo esses dados, a fila vai diminuindo, até se extinguir.


Figura 44: Fluxograma da Interrupção de Entrada Serial.

Fonte: Autor.

Enquanto os dados não tenham sido completamente lidos em “vetor”, não podem chegarmais dados pela serial. Essa condição deve ser tratada por um controle de fluxo de dados.

4.2.1.2.2 Interrupção na Transmissão

A Figura 45 apresenta um fluxograma que descreve as rotinas de interrupção na trans-missão de dados pela SCI 1 e SCI 2.

As interrupções para transmissão são gerenciadas de uma forma diferente, onde sãohabilitadas ou desabilitadas conforme o necessário.

Quando a função “Envia_Serial(vetor)” é chamada, os dados contidos em “vetor” sãotransferidos para o Buffer Out14, em seguida a função habilita a interrupção ITC, essa interrupçãoé disparada imediatamente, pois o buffer de saída estará vazio, como se uma transmissão estivessesido completada naquele momento.

Ao entrar na rotina de interrupção, os dados do Buffer Out são enviados um a um, gerando-se um ITC a cada dado enviado. Com o Buffer Out vazio, a interrupção ITC é desabilitada ea interrupção ITO é habilitada. Com o término dos dados a linha fica ociosa, uma interrupçãoITO é gerada onde, em seguida, a mesma é desabilitada.14 Idem ao Buffer In, para dados de saída.


Figura 45: Fluxograma da Interrupção de Saída Serial.

Fonte: Autor.

4.2.1.3 Interface Serial I2C

Para utilizar a memória EEPROM foi necessário atender as especificações discutidasanteriormente, em que o limite na frequência de clock estabelecido pela folha de dados é de 100kHz, essas configurações foram feitas de forma semelhante as configurações de velocidade domódulo UART.

4.2.1.3.1 Acesso à Memória EEPROM

A memória 24LC1025 tem capacidade de 128 kB (131072 bytes), ou seja, existem131072 endereços disponíveis para se armazenar caracteres de 8 bits. O endereçamento damemória é feito em 16 bits, desse modo a memória é dividida em dois blocos de 64 kB (65536bytes), a Figura 46 ilustra graficamente como é feita a divisão.

Infelizmente o microcontrolador MC9S08JM32 não dispõe de memória EEPROM, nessecaso foi necessário reservar um espaço de 1 kB (1024 bytes) na memória 24LC1025 para oarmazenamento de dados e configurações do sistema que não podem ser perdidos quando omódulo é desenergizado. A Figura 47 mostra como ficou o mapeamento da memória.

Portanto ficaram reservados 127 kB (130048 bytes) para armazenamento dos dados daSAD, e 1 kB (1024 bytes) para as configurações do sistema.


Figura 46: Representação em Blocos da Memória 24LC1025.

Fonte: Autor.

Figura 47: Mapeamento da Memória 24LC1025 para o Smart Modem.

Fonte: Autor.

Operação de Gravação Para a escrita dos dados, é necessário que haja um gerenciamentono endereçamento da memória, levando-se em consideração que: a estrutura da memória édividida em dois blocos, o espaço reservado para dados de armazenamento é de 127 kB e anecessidade de um ponteiro que indique a posição de memória disponível para gravação. AFigura 48 apresenta um fluxograma básico de como se dá as operações de gravação na memória.

Quando a função “Grava_Memoria(n dados)” é chamada, o novo ponteiro de gravação(N_PONT) é obtido a partir do ponteiro atual de gravação (A_PONT) somado aos n bytes quese deseja gravar, o N_PONT indica se a gravação exigirá uma alternância de blocos.

Quando o N_PONT e o A_PONT pertencerem ao mesmo bloco, ná há transição entreblocos, dessa forma os n dados serão gravados normalmente.

Quando o N_PONT e o A_PONT não pertencerem ao mesmo bloco, há transição entreblocos, dessa forma os n-m dados serão gravados no bloco pertencente ao A_PONT e os mdados restantes no outro bloco.


Figura 48: Fluxograma da Operação de Gravação na Memória.

Fonte: Autor.

Operação de Leitura A operação de leitura apresenta basicamente os mesmos requisitosapresentados na operação de escrita, como ilustrado no fluxograma da Figura 49.


Figura 49: Fluxograma da Operação de Leitura na Memória.

Fonte: Autor.

Quando a função “Le_Memoria(n dados)” é chamada, o novo ponteiro de leitura(N_PONT) é obtido a partir do ponteiro atual de leitura (A_PONT) somado aos n bytes que sedeseja ler, o N_PONT indica se a leitura exigirá uma alternância de blocos.


Quando o N_PONT e o A_PONT pertencerem ao mesmo bloco, ná há transição entreblocos, dessa forma os n dados serão lidos normalmente.

Quando o N_PONT e o A_PONT não pertencerem ao mesmo bloco, há transição entreblocos, dessa forma os n-m dados serão lidos no bloco pertencente ao A_PONT e os m dadosrestantes no outro bloco.

4.2.2 Arquitetura do Programa

Um dispositivo como o Smart Modem pode ser considerado como um sistema multitare-fas, estando susceptível a vários processos aleatórios independentes que interagem e determinamo seu funcionamento, para discutir isso será discorrido um exemplo hipotético de um SAD quetransfira dados para um servidor na Internet fazendo o uso do Smart Modem.

O diagrama de blocos da Figura 50 ilustra a forma com que se dá o fluxo dos dados noSmart Modem.

Figura 50: Diagrama de Blocos do Fluxo de Dados do Smart Modem.

Fonte: Autor.

O SAD necessita transferir dados de tempos em tempos para um servidor na Internet,esses dados são enviados para o Smart Modem pela interface serial SCI 1.

O sistema serial transfere dados byte a byte, ou seja, o microcontrolador deve executarinstruções de recepção e armazenamento para cada byte recebido, pois são geradas interrupçõesa cada evento de recepção. A uma velocidade de 9600 bps cada evento ocorre em aproxima-damente 1 ms, como já dito anteriormente. Considerando que as operações de interrupção earmazenamento de um byte recebido na serial necessitem de 100 pulsos de clock para seremexecutadas (esse é com certeza um valor superestimado), essas operações ainda seriam 160 vezesmais rápidas do que a velocidade de recebimento da serial, já que o microcontrolador operaem uma frequência de clock de 16 MHz, ou seja, pode executar 16 milhões de instruções porsegundo.

Continuando com o exemplo, considerando agora que o SAD tivesse 1 kB (1024 bytes)de dados a serem transferidos. De início pode se concluir que seria praticamente impossível arecepção dessa quantidade de dados em uma só vez, visto que o microcontrolador dispõe de


apenas 2 kB de memória RAM, portanto a única forma seria fracionar a recepção dos dados empacotes menores para que fosse possível descarregar na memória EEPROM, liberando a RAM,até que se completasse a recepção de todos os dados. O problema da recepção seria resolvido, noentanto outro problema seria criado, pois a serial e o sistema principal passariam a operar com obuffer dos dados recebidos, sendo possível a ocorrência de uma nova interrupção enquanto osistema principal estivesse descarregando os dados na memória, ocasionando a perda de dados.Para a solução desse problema, poderia ser adotado um controle de fluxo por software ou porhardware.

Deve-se levar em consideração a possibilidade de ocorrência de erros na transmissãodos dados, o sistema deve ser capaz de detectá-los e corrigi-los, se faz necessário também umgerenciamento da memória EEPROM quanto aos dados armazenados, espaço livre e dados aserem transmitidos.

Ao inserir o módulo de transmissão GPRS no sistema, a complexidade aumenta muito.Para se realizar uma conexão com um servidor de dados através do protocolo TCP/IP porexemplo, são necessários, resumidamente, os seguintes passos:

1. Setar um pino do módulo por pelo menos 3 segundos para a inicialização;

2. Aguardar o registro do dispositivo na rede GPRS;

3. Verificar o sinal disponível da rede GPRS;

4. Registrar o APN da operadora de telefonia utilizada;

5. Conectar-se a um serviço DNS;

6. Fazer a autenticação do usuário;

7. Abertura de conexão e obtenção de endereço IP;

8. Envio dos dados;

9. Encerramento da conexão;

Todos esses comandos, sem exceção, devem ser realizados em malha fechada, ou seja, opróximo comando é dependente da resposta do atual, por esse motivo essas respostas devem serverificadas e comparadas com um banco de dados.

Estas operações se dão em tempo real mas não existe qualquer garantia em relação aotempo de execução de tais operações, pois além dos tempos serem regidos pela complexidade datarefa a ser executada, eles variam de forma aleatória dada a complexidade e indeterminação dosparâmetros de um sistema de telefonia móvel.


O microcontrolador tem a capacidade de executar apenas uma instrução de cada vez,mas com o uso de um algoritmo robusto de processamento torna-se possível uma alternânciarápida entre várias tarefas, ou seja o sistema operacional irá repartir o processamento em váriastarefas, para que o processo como um todo se torne aparentemente simultâneo. Por esta razão, amultitarefa é uma otimização conseguida através do sistema operacional, e não do hardware.

A Figura 51 exemplifica um processo que executa três tarefas diferentes, os blocoscoloridos indicam o tempo de execução da tarefa, os blocos em branco indicam tempo ocioso.

Figura 51: Representação de um Processo Multitarefas.

Fonte: Autor.

As tarefas podem ser sincronizadas de forma a otimizar o tempo de execução do processo,sem que haja nenhum prejuízo para as mesmas.

Como já foi dito, o sistema operacional do Smart Modem precisa gerenciar a interaçãoentre os blocos do sistema, esses blocos são independentes entre sí mas interconectados atravésdo microcontrolador, torna-se necessário que uma certa sequência de ações pré-determinadasseja obedecida para o perfeito gerenciamento do sistema. Para resolver estas questões de formasatisfatória, existe o conceito de máquina de estados finitos.

Uma máquina de estados finitos se fundamenta em direcionar o funcionamento de umsoftware em um número finito de estados, fazendo com que uma ordem de execução sejaobedecida. Cada um desses estados representa uma situação relevante do sistema, sendo possívelavançar, recuar ou permanecer em um estado, o mecanismo deste fluxo da máquina de estado édefinido pelo desenvolvedor (lógica da programação).

A Figura 52 é conhecida como diagrama de estados, os estados são representados peloscírculos e englobam as ações, as transições são representadas por setas que levam de um estadoa outro, e por fim, os eventos estão localizados sobre as transições.

O estado descreve a situação atual do sistema, com base em eventos passados e presen-tes, ou seja, carrega uma memória dos acontecimentos ocorridos até o momento. A transiçãorepresenta a mudança para o próximo estado devido a ocorrência de um evento no estado atual.O evento pode ser um acionamento de um pino, a leitura da serial, o armazenamento de dados namemória, a resposta de um atuador, o estouro de um temporizador, entre outras tarefas relevantes

15 Aprenda Robótica. Disponível em <http://aprendarobotica.com.br/arquivos/528/> Acessado em 01/2016


Figura 52: Diagrama de Estados Genérico.


em um processo. Os eventos são responsáveis por disparar transições entre os estados. A ação éa resposta do sistema propriamente dita, ou seja, as definições envolvidas em cada estado.

Pelas razões explanadas neste preâmbulo, todo o código de gerenciamento da recepção,do armazenamento e da transmissão dos dados foi desenvolvido em maquina de estados.

4.2.2.1 Recepção e Armazenamento dos Dados

A Figura 53 ilustra o diagrama de estados com quatro eventos e cinco estados, a seguirserão descritos cada um dos eventos e estados que são responsáveis pelo funcionamento dosistema.

Figura 53: Diagrama de Estados para Recepção e Armazenamento dos Dados.

Fonte: Autor.


Os eventos são, nesse caso, comandos de texto enviados pelo SAD e reconhecidos pelosistema, por meio de comparação com banco de dados pré determinado. Qualquer atividade nalinha serial SCI 1 gera uma interrupção no sistema, se esta atividade for um evento válido osistema passa a processá-lo levando a uma mudança de estado.

Os itens a seguir descrevem os quatro eventos válidos que promoverão um salto nosestados do sistema:

1. STRT: Houve atividade na linha de recepção, o frame recebido foi um comando válidopara iniciar uma comunicação entre o SAD e o Smart Modem.

2. PACK: Houve atividade na linha de recepção, o frame recebido foi um comando válidopara requisitar o envio de n bytes.

3. DATA: Houve atividade na linha de recepção, o frame recebido contém m dos n bytes aserem recebidos.

4. ENDD: Houve atividade na linha de recepção, o frame recebido foi um comando válidopara encerrar a comunicação entre o SAD e o Smart Modem.

Os estados descrevem as ações a serem executadas pelo sistema dadas as condiçõesdo momento. Dependendo da resposta do sistema à estas ações, define-se qual será o próximoestado. As transições entre os estados são definidas pelos eventos ou por alguma condição a sersatisfeita no estado atual. Qualquer evento incompatível em relação ao estado atual ou diferentedos acima citados, retorna uma mensagem de não reconhecimento para o SAD. No caso de oestado ser Sleep, um evento diferente de STRT é ignorado pelo sistema.

A seguir são descritas as características de todos os estados:

1. Start: O sistema está em processo de início de suas atividades.

a) Acessa a memória EEPROM e carrega o ponteiro de gravação em uma variável.

b) Envia um reconhecimento para o SAD e fica pronto para o próximo estado, Request.

2. Request: O sistema está em processo de requisição por parte do SAD.

a) Calcula o espaço disponível na memória para gravação.

b) Verifica se o número de bytes requisitados pelo SAD é menor ou igual ao espaçodisponível para gravação.

i. Se sim, inicia a contagem dos bytes a receber, envia um reconhecimento para oSAD e fica pronto para o próximo estado, Receive.

ii. Se não, envia o espaço disponível para o SAD e mantém o estado atual, Request.


3. Receive: O sistema está em processo de recepção por parte do SAD.

a) Verifica se o número de bytes recebidos do SAD é menor ou igual ao tamanhomáximo da página de gravação suportada pela memória.

i. Se sim, grava os bytes recebidos na memória, decrementa a contagem dos bytesa receber.

A. Se ainda há bytes a receber, envia um reconhecimento para o SAD, envia onumero de bytes a receber para o SAD e mantém o estado atual, Receive.

B. Se não há mais bytes a receber, envia um reconhecimento para o SAD, enviamensagem de término dos dados para o SAD e fica pronto para o próximoestado, Finish.

ii. Se não, envia mensagem de erro no tamanho do pacote e mantém o estado atual,Receive.

4. Finish: O sistema está em processo de finalização por parte do SAD.

a) Se ainda há bytes a receber, envia o numero de bytes a receber para o SAD, nãoatualiza o ponteiro de gravação (perda de todos os dados) e passa imediatamente parao estado Sleep.

b) Se não há mais bytes a receber, atualiza o ponteiro de gravação, envia um reconheci-mento para o SAD e passa imediatamente para o estado Sleep.

5. Sleep: O microcontrolador está em modo de baixo consumo de energia e não há atividadena recepção dos dados.

A qualquer momento o SAD pode requisitar uma transição para o estado Finish atravésdo evento ENDD, mas somente se todos os dados anteriormente requisitados forem efetivamentetransferidos é que o sistema validará o armazenamento na memória atualizando o ponteiro degravação, isso se dá apenas quando a condição “B” do estado Receive for satisfeita.

Para todos os estados, existem um tempo de execução limite, timeout, ao estourar essetempo, se encerra a atividade atual, os dados são perdidos e o sistema fica em modo Sleep.

4.2.2.2 Transmissão dos Dados

O sistema de transmissão dos dados pode ser descrito por oito estados, que compre-endem: inicialização, verificação de sinal, conexão com a rede GSM/GPRS, envio dos dados,encerramento da conexão, desligamento, modo de espera e tratamento de erros, como ilustradona Figura 54. Diferente do sistema de recepção e armazenamento, os eventos neste caso sãoexclusivamente dependentes do estado atual.

A seguir estão as definições de cada estado bem como a ocorrência dos eventos, que sãoas condições para a transição dos estados.


Figura 54: Diagrama de Estados para Transmissão dos Dados.

Fonte: Autor.

1. Wake: O sistema está em processo inicialização do módulo GSM/GPRS.

a) Envia sinal de inicialização para o módulo, mantém o estado atual, Wake.

b) Se já se passou 3 segundos:

i. Se o módulo inicializou:

A. Mantém o estado atual, Wake

ii. Se o módulo não inicializou:

A. Atualiza para o estado Error (evento ERRO).

c) Envio de comando AT para verificar a disponibilidade de rede GSM/GPRS.

i. Se o módulo respondeu antes do tempo limite (timeout):

A. Se existe disponibilidade de rede, atualiza para o próximo estado, Signal(evento SIGN).

B. Se não existe disponibilidade de rede, atualiza para o estado Error (eventoERRO).

ii. Se o módulo não respondeu antes do tempo limite (timeout):


2. Signal: O sistema está verificando a qualidade de sinal recebido pelo módulo.

a) Envio de comando AT requisitando o nível de sinal recebido, mantém o estado atual,Signal.



A. Se existe sinal de rede, atualiza para o próximo estado, Connect (eventoCONN).

B. Se não existe sinal de rede, atualiza para o estado Error (evento ERRO).



3. Connect: O sistema está em processo de conexão com a rede GSM/GPRS.

a) Envio de comando AT definindo os parâmetros do contexto PDP (Conexão do tipoTCP/IP e o APN da operadora).


A. Se a operação foi executada com sucesso, mantém o estado atual, Connect.

B. Se a operação falhou, atualiza para o estado Error (evento ERRO).



b) Envio de comando AT definindo servidores de DNS.






c) Envio de comando AT definindo os parâmetros do Socket16 (Tamanho máximo dopacote de envio, Tempo limite de inatividade, Tempo limite para se estabelecerconexão, Tempo limite para o envio dos dados).






d) Envio de comando AT habilitando o contexto PDP (Usuário e Senha da operadora).




ii. Se o módulo não respondeu antes do tempo limite (timeout):16 Socket é um ponto final de um fluxo de comunicação entre processos através de uma rede de comunicação

como a Internet.



e) Envio de comando AT definindo a abertura de uma conexão GPRS, através do Socket

com o IP do servidor destinatário dos dados.


A. Se a operação foi executada com sucesso, atualiza para o próximo estado,Send (evento SEND).

B. Se a operação falhou, atualiza para o próximo estado Error (evento ERRO).



4. Send: O sistema está em processo de envio de dados para o servidor.

a) Envio de comando AT que permite alocação dos dados a serem enviados para oservidor no buffer do módulo.


A. Se a operação foi executada com sucesso, mantém o estado atual, Send.




b) Envio dos dados no buffer para a rede.

c) Envio de comando AT requisitando ao Socket informações de tráfego dos pacotes dedados.


A. Se os pacotes não se perderam, mantém o estado atual, Send.

B. Se se houve perda de algum pacote, atualiza para o estado Error (eventoERRO).



d) Verificação de confirmação do servidor.

i. Se o sistema está configurado para verificar a confirmação de recebimento dosdados pelo servidor:

A. Se o servidor respondeu, atualiza para o estado Disconnect (evento DCON).

B. Se o servidor não respondeu, atualiza para o estado Error (evento ERRO).

ii. Se o sistema não está configurado para verificar confirmação de recebimentodos dados pelo servidor:

A. Atualiza para o estado Disconnect (evento DCON).


5. Disconnect: O sistema está em processo de desconexão com a rede GSM/GPRS.

a) Envio de comando AT solicitando o fechamento do Socket.


A. Se a operação foi executada com sucesso, mantém o estado atual, Discon-nect.




b) Envio de comando AT solicitando o fechamento do contexto PDP.


A. Se a operação foi executada com sucesso, atualiza para o estado Shutdown(evento SHDN).




6. Shutdown: O sistema está em processo de desligamento do módulo GSM/GPRS.

a) Envia sinal de desligamento para o módulo, mantém o estado atual, Shutdown.

b) Se já se passou 3 segundos:

i. Se o módulo desligou:

A. Atualiza para o estado Sleep (evento SLEP).

ii. Se o módulo não desligou:


7. Sleep: O microcontrolador está em modo de baixo consumo de energia e não há atividadena transmissão dos dados.

8. Error: O sistema está em processo de tratamento de erro relativo ao estado anterior.

8.1) Se o estado em que ocorreu o erro for Wake:

• Wake / b / ii / A: Atualiza o estado para Shutdown.

• Wake / c / i / B: Atualiza o estado para Shutdown.

• Wake / c / ii / A: Retorna o estado Wake / c a cada 30 segundos por 2 minutos,se não houve resposta, atualiza o estado para Shutdown.

8.2) Se o estado em que ocorreu o erro for Signal:

• Signal / a / i / B: Atualiza o estado para Shutdown.


• Signal / a / ii / A: Retorna o estado Signal / a por 2 vezes, se não houve resposta,atualiza o estado para Shutdown.

8.3) Se o estado em que ocorreu o erro for Connect:

• Connect / a / i / B: Atualiza o estado para Shutdown.

• Connect / a / ii / A: Retorna o estado Connect / a, se não houve resposta, atualizao estado para Shutdown.

• Connect / b / i / B: Atualiza o estado para Shutdown.

• Connect / b / ii / A: Retorna o estado Connect / b, se não houve resposta, atualizao estado para Shutdown.

• Connect / c / i / B: Atualiza o estado para Shutdown.

• Connect / c / ii / A: Retorna o estado Connect / c, se não houve resposta, atualizao estado para Shutdown.

• Connect / d / i / B: Atualiza o estado para Shutdown.

• Connect / d / ii / A: Atualiza o estado para Shutdown.

• Connect / e / i / B: Atualiza o estado para Shutdown.

• Connect / e / ii / A: Atualiza o estado para Shutdown.

8.4) Se o estado em que ocorreu o erro for Send:

• Send / a / i / B: Atualiza o estado para Shutdown.

• Send / a / ii / A: Atualiza o estado para Shutdown.

• Send / c / i / B: Não atualiza o ponteiro de leitura (considera que os dados nãoforam enviados), atualiza o estado para Shutdown.

• Send / c / ii / A: Retorna o estado Send / c a cada 1 segundo por 30 segundos, senão houve resposta, não atualiza o ponteiro de leitura (considera que os dadosnão foram enviados), atualiza o estado para Shutdown.

• Send / d / i / B: Não atualiza o ponteiro de leitura (considera que os dados nãoforam enviados), atualiza o estado para Shutdown.

8.5) Se o estado em que ocorreu o erro for Disconnect:

• Disconnect / a / i / B: Atualiza o estado para Disconnect / b.

• Disconnect / a / ii / A: Atualiza o estado para Disconnect / b.

• Disconnect / b / i / B: Atualiza o estado para Shutdown.

• Disconnect / b / ii / A: Atualiza o estado para Shutdown.

8.6) Se o estado em que ocorreu o erro for Shutdown:

• Shutdown / b / ii / A: Executa desligamento forçado e atualiza o estado paraSleep.


Existe um tempo de execução limite, timeout, para cada estado, ao estourar esse tempo, atransmissão é encerrada e registrado um erro de timeout. Para todos os erros acima mencionados,o sistema faz até 3 novas tentativas subsequentes de reenvio, caso não haja exito o sistema entraem modo Sleep voltando a atividade dependendo da configuração feita pelo usuário.

4.2.2.3 Sinalização Visual dos LED’s

O Smart Modem conta com LED’s de status, que tem a função de informar visualmentealgumas características de funcionamento corrente, a Figura 55 mostra três LED’s, o vermelho(à esquerda), o azul (ao centro) e o amarelo (à direita).

Figura 55: LED’s de Sinalização.

Fonte: Autor.

O LED vermelho informa o status de funcionamento do GC864 QUAD V2, a Tabela 13descreve seu funcionamento:

Tabela 13: LED de Status Vermelho.

Status do LED Status do GC 864 QUAD V2Permanentemente apagado DesligadoPiscando (T = 1s / Ton = 0,5s) Procurando rede / Não registradoPiscando (T = 3s / Ton = 0,3s) Registrado / Em serviço

O LED azul informa o status de recepção, transmissão e armazenamento dos dados, aTabela 14 descreve seu funcionamento:

Tabela 14: LED de Status Azul.

Status do LED Status do SistemaPermanentemente apagado Sem atividade / Sem dados armazenadosPiscando (T = 1s / Ton = 0,7s) Transmitindo dadosPiscando (T = 1s / Ton = 0,3s) Recebendo dadosPiscando (T = 3s / Ton = 0,3s) Dados armazenados

O LED amarelo informa o status do microcontrolador, a tabela 15 descreve seu funciona-mento:


Tabela 15: LED de Status Amarelo.

Status do LED Status do MicrocontroladorPermanentemente apagado Sistema DesligadoPermanentemente aceso Modo RUNPiscando (T = 3s / Ton = 0,3s) Modo WAIT

4.2.3 Protocolo de Comunicação de Dados

Foi apresentado como ocorre a recepção e o armazenamento dos dados no Smart Modem,para que esse processo se dê de forma correta foi elaborado um protocolo de comunicação dedados. O protocolo é composto de frames de caracteres ASCII17, que padroniza os comandos erespostas entre o SAD e o Smart Modem.

4.2.3.1 Descrição do Protocolo

Os 4 comandos que devem ser utilizados pelo SAD para se efetuar a transmissão dosdados estão descritos a seguir, estes comandos estão diretamente ligados aos quatro eventos quepromovem os saltos de estado discutidos anteriormente:

1. ##STRT##: Comando de inicialização para que o sistema dê início a rotina de recepçãodos dados. Ao detectar esse comando, o microcontrolador sai do modo de baixo consumode energia e fica preparado para receber os próximos comandos.

2. ##PACK##nnnnc##: Requisição para o envio de “nnnn” bytes (valores de “0001” a“9999”) juntamente do checksum “c”, de modo que o sistema possa verificar a disponibili-dade de espaço na memória para o armazenamento destes dados. Ao requisitar o envio de“nnnn” bytes, o Smart Modem inicia a contagem dos dados a serem recebidos.

3. ##DATA##pppddd...c##: Envio dos dados, que deverão ser subdivididos em pacotes de“ppp” bytes (valores de “001” a “128”) juntamente do checksum “c”. Sendo assim, osistema aceita frames “PACK” contendo no máximo 128 bytes de dados, o SAD deve entãoenviar quantos pacotes forem necessários até que se complete os “nnnn” bytes requisitados.

4. ##ENDD##: Finalização da comunicação, ao receber esse comando, o Smart Modemexecuta imediatamente as rotinas de encerramento da comunicação com o SAD, massomente quando os “nnnn” dados forem efetivamente recebidos e armazenados semqualquer erro é que serão validados.

17 ASCII é uma sigla para “American Standard Code for Information Interchange” ou Código Padrão Norte-Americano para Intercâmbio de Informações, que define um sistema de codificação que atribui valores numéricosa caracteres visando padronizar a troca de dados entre computadores.


As 10 respostas possíveis que são enviadas pelo Smart Modem estão descritas na lista aseguir, com o objetivo de promover um controle de fluxo por software na comunicação:

1. ##ACKK##: Reconhecimento do frame recebido e disponibilidade para receber outroscomandos.

2. ##NACK##: Não reconhecimento do frame recebido e disponibilidade para receber outroscomandos.

3. ##BUSY##: Sistema ocupado, não há disponibilidade para receber comandos no momento,o comando recebido é ignorado pelo sistema.

4. ##TOUT##: Tempo esgotado, o evento corrente estourou o tempo limite de execução,neste caso o sistema é direcionado ao encerramento de suas atividades de recepção.

5. ##INME##eeeeee##: Espaço insuficiente na memória, essa mensagem é enviada quandoum comando “PACK” faça uma requisição de espaço maior que o disponível, a mensagemretorna o espaço em bytes disponível “eeeeee” (valores de “000000” a “999999”).

6. ##EOFD##: Fim dos dados, essa mensagem é enviada quando todos os “nnnn” dados re-quisitados forem efetivamente recebidos e armazenados com sucesso. Após o recebimentodessa mensagem, o SAD poderá enviar o comando de finalização da comunicação.

7. ##ERCK##: Erro de checksum, os comandos “PACK” e “DATA” fazem uso de checksum

para garantir que os dados recebidos estejam livre de erros, que podem ocorrer na linhaserial devido ao ruído. Ao receber essa mensagem, o SAD deverá reenviar o último frame.

8. ##ELFM##: Erro de tamanho do pacote, essa mensagem é enviada quando um comando“DATA” enviar um pacote de dados maior que 128 bytes.

9. ##RMNG##rrrrrr##: Número de bytes restantes a receber, essa mensagem é enviada acada recebimento de pacote de dados “PACK”, informando que faltam “rrrrrr” bytes aserem recebidos.

10. ##ERRM##: Erro de gravação na memória, ao receber essa mensagem, o SAD deveencerrar a comunicação com o Smart Modem.

Os comandos a seguir são restritos ao programa de configuração do Smart Modem viainterface Windows.

1. ##CFGR##: Comando enviado pelo programa requisitando as configurações correntes doSmart Modem para que sejam mostradas ao usuário.


2. ##CFGW##: Comando enviado pelo programa seguido de todas as configurações realiza-das pelo usuário.

3. ##CCSQ##: Comando enviado periodicamente pelo programa requisitando o nível desinal do corrente no Smart Modem.

4.2.3.1.1 Início da comunicação

Para iniciar uma comunicação com o Smart Modem, é necessário que o SAD envie ocomando de inicialização:

##STRT##

Caso haja erro no comando enviado pelo SAD, será enviada uma mensagem de nãoreconhecimento:

##NACK##

o SAD deve então reenviar o comando.

Caso não haja erro, o Smart Modem reconhecerá o comando e enviará uma mensagemde reconhecimento:

##ACKK##

O sistema fica pronto para o comando “PACK”.

4.2.3.1.2 Requisição para o envio de pacote de dados

Se a resposta anterior foi de reconhecimento, o SAD deverá enviar um comando requisi-tando a transferência de “nnnn” bytes para o Smart Modem:

##PACK##nnnnc##

Os caracteres “nnnn” representam valores entre 1 byte e 9999 bytes que poderão sertransferidos, os quatro caracteres devem ser enviados em formato decimal.

O caractere “c” representa o checksum18 dos caracteres “nnnn”, devendo ser um valorentre “0x00” e “0xFF”, resultante dos 8 bits menos significativos da soma de todos os caracteres“nnnn”.18 Checksum ou soma de verificação é um método utilizado para verificação da integridade de dados recebidos

através de um canal com probabilidade de erros.



##NACK##


Caso haja erro de checksum, será enviada uma mensagem de erro de checksum:

##ERCK##


Caso não haja espaço suficiente para armazenar os dados, será enviada uma mensagemde espaço insuficiente na memória, juntamente com o espaço disponível:

##INME##eeeeee##

o SAD deve então reenviar o comando requisitando o espaço adequado.


##ACKK##

O sistema fica pronto para o comando “DATA”.

4.2.3.1.3 Envio de dados

Se a resposta anterior foi de reconhecimento, o SAD deverá enviar os frames contendo“ppp” bytes de dados cada, até que se complete os “nnnn” bytes de dados requisitados.

##DATA##pppddd...c##

Os caracteres “ppp” representam valores de 1 a 128 correspondentes ao tamanho dacadeia de caracteres “ddd...” dos dados enviados, os caracteres “ppp” devem ser enviados emformato decimal.

O caractere “c” representa o checksum dos caracteres “ddd...”, devendo ser um valorentre “0x00” e “0xFF”, resultante dos 8 bits menos significativos da soma de todos os caracteres“ddd...”.



##NACK##


Caso haja erro no tamanho do pacote, será enviada uma mensagem de erro de tamanhode pacote:

##ELFM##


Caso haja erro de checksum, será enviada uma mensagem de erro de checksum:

##ERCK##



##ACKK##

e uma mensagem informando a quantidade de dados que ainda faltam ser recebidos:

##RMNG##

O sistema fica pronto para o próximo pacote de dados.

Caso não haja mais dados a serem enviados, o Smart Modem enviará uma mensagem dereconhecimento:

##ACKK##

e uma mensagem informando o fim dos dados:

##EOFD##

O sistema fica pronto para o comando “ENDD”.


4.2.3.1.4 Finalização da comunicação

Para terminar a comunicação com o Smart Modem, é necessário que o SAD envie ocomando de finalização:

##ENDD##


##NACK##


Caso os dados requisitados não estiverem sido armazenados com sucesso, será enviadauma mensagem informando a quantidade de dados que ainda faltam ser recebidos:

##RMNG##

os dados serão perdidos e o sistema entra em modo de espera.

Caso os dados requisitados estiverem sido armazenados com sucesso, será enviada umamensagem de reconhecimento:

##ACKK##

os dados serão salvos e o sistema entra em modo de espera.

4.2.4 Controle de Fluxo por Hardware

Mesmo com o protocolo descrito anteriormente, é necessário um controle de fluxopor hardware utilizando os pinos CTS e RTS, dessa forma o SAD pode identificar a qualquermomento se o Smart Modem está em operação de transmissão e se há ou não dados a seremtransmitidos.

Tabela 16: Controle de Fluxo por Hardware.

Nível lógico RTS CTS0 Não há dados armazenados Não transmitindo dados1 Há dados armazenados Transmitindo dados

A Tabela 16 mostra as possíveis combinações dos níveis lógicos dos pinos RTS e CTS.


RTS = 0 e CTS = 0: Neste caso, o SAD pode desligar definitivamente o Smart Modem,pois não há necessidade de mantê-lo energizado.

RTS = 0 e CTS = 1: Este caso é impossível de ser realizado, pois se não há dadosarmazenados não há motivo para haver transmissão de dados.

RTS = 1 e CTS = 0: Neste caso, o SAD pode desligar o Smart Modem por determinadotempo, devendo ser ligado posteriormente para nova tentativa de transmissão dos dados.

RTS = 1 e CTS = 1: Neste caso, o SAD não pode desligar o Smart Modem, pois todosos dados serão perdidos.

4.3 Interface com o Usuário via USB em Ambiente Windows

Para que o usuário final possa utilizar o Smart Modem com facilidade, foi desenvolvidoum programa que permite a configuração dos parâmetros de operação em ambiente Windows,através de conexão USB. É necessário o uso de um adaptador Serial - USB para realizar aconexão.

4.3.1 Configurações do Modem

Ao iniciar o programa, na primeira aba “Geral” o usuário tem duas opções de escolha parao modo operação, “Smart Modem” ou “Escravo”, ao escolher a opção “Smart Modem” (padrão),deverão ser observados todos os outros parâmetros de configuração, se a opção escolhida for“Escravo”, estes parâmetros ficam indisponíveis, já que são desnecessários. A Figura 56 ilustra olayout do programa.

O parâmetro “Sinalização Visual” se refere aos LED’s de status do Smart Modem, porpadrão ficam desabilitados, já que na operação em campo é desnecessário que se tenha LED’sem funcionamento, acarretando em gasto de energia adicional.

Em seguida devem ser configurados os parâmetros da operadora, esses parâmetros devemser verificados junto à operadora de telefonia celular a ser utilizada.

Os servidores DNS “primário” e “secundário” podem ser configurados conforme odesejado, por padrão fica definido os servidores de DNS disponibilizados pela Google.

Há quatro parâmetros a serem configurados no Socket de conexão, o primeiro define qualo tamanho máximo dos pacotes a serem enviados em uma pilha TCP/IP, o segundo parâmetrodefine o tempo limite de inatividade (sem tráfego de dados) sem que a conexão seja fechada, oterceiro parâmetro define o tempo limite para se estabelecer uma conexão antes de considerarque houve um erro e o último parâmetro define o tempo limite para o envio do pacote de dadosantes de considerar que houve erro.

4.3. Interface com o Usuário via USB em Ambiente Windows 85

Figura 56: Interface de Configuração do Smart Modem - Configurações Gerais.

Fonte: Autor.

Na segunda aba “Transmissão”, Figura 57, inicialmente se configura o servidor des-tinatário, onde devem ser preenchidos os campos “Domínio” e “Porta”, é possível marcar aopção logo abaixo que permite o acesso diretamente pelo IP do servidor em vez de utilizaro serviço de DNS para resolver o endereço do domínio a cada conexão. Acessar diretamentepelo IP tem a vantagem de diminuir o risco de perda de conexão por estouro do tempo limitede inatividade, pois o processo de resolução pelo servidor DNS geralmente é demorado, emcontrapartida corre-se o risco de o IP não mais corresponder ao destino desejado, o que podeacarretar em perda total dos dados.

Em seguida é possível habilitar o serviço de relatório SMS, para isso deve ser preenchidoo número do destinatário que receberá mensagens SMS e escolher os parâmetros desejados.

Por último escolhe-se qual a quantidade mínima de dados acumulados na memória paraque se realize o envio para o servidor, e caso haja erros de transmissão o tempo para realizarnova tentativa.

Para realizar estas configurações, o usuário deverá utilizar o conversor Serial/USB daFigura 58 para a conexão com o computador, no programa deve ser escolhida a porta relativa aconexão com o conversor, como mostra a Figura 59.

O programa também mostra o nível de sinal disponível em tempo real, a partir domomento em que a conexão com o Smart Modem é estabelecida.


Figura 57: Interface de Configuração do Smart Modem - Configurações de Transmissão.

Fonte: Autor.

Figura 58: Conversor Serial/USB LA2I.

Fonte: Autor.

Os níveis de sinal ilustrados graficamente na Figura 60 foram mapeados conforme aTabela 17 a seguir.

A observação do nível de sinal facilita a instalação do sistema em campo, auxiliando o

19 RSSI (Received Signal Strength Indication) ou Indicação da Intensidade do Sinal Recebido, é uma medida depotência de sinal, geralmente na unidade [dBm].

4.3. Interface com o Usuário via USB em Ambiente Windows 87

Figura 59: Interface de Configuração do Smart Modem - Porta Serial.

Fonte: Autor.

Figura 60: Níveis de Sinal de Recepção.

Fonte: Autor.

Tabela 17: Níveis de Sinal em dBm.

Nível de sinal RSSI19 [dBm]Sem sinal menor que -109Crítico -109 a -103Fraco -101 a -95Moderado -93 a -85Bom -83 a -75Excelente maior que -75

usuário na escolha e no direcionamento de antenas de recepção.

89

5 Resultados e Discussão

Neste Capítulo são apresentados os resultados obtidos em relação a placa, a operação dosistema e os custos de manutenção. Com a montagem e a implementação do código na placa,foram constatadas algumas falhas que são analisadas e discutidas nas seções a seguir.

5.1 Placa de Circuito Impresso

A Figura 61 ilustra o Smart Modem com a montagem finalizada. A placa ficou comdimensões de 43 x 72 mm e espessura total de 20 mm, essa espessura é devida aos conectores eao indutor.

Figura 61: Imagem real do Smart Modem.

Fonte: Autor.

Foram encontrados cinco erros na placa, os dois primeiros são determinantes para ofuncionamento do Smart Modem, os outros três não trazem consequências diretas, mas tambémdevem ser observados por uma questão de qualidade do projeto.

O primeiro erro foi o uso indevido do “pino 11” para o circuito de gravação do microcon-trolador, pois na verdade o “pino 36” que tem tal função, foi necessário então efetuar uma ligação

90 Capítulo 5. Resultados e Discussão

(curto circuito) entre os dois pinos para que o circuito de gravação funcionasse corretamente,como mostra a Figura 62. Por sorte a função do “pino 11” é de proposição geral, nesse caso nãohouve problema pois sua configuração padrão é de entrada em alta impedância.

Figura 62: Erro na Escolha dos Pinos do Microcontrolador para o “BDM”.

Fonte: Autor.

O segundo erro foi no conector “DATA”, a forma com que os seus pinos ficaram dispostosimpossibilitou o uso do conversor Serial/USB para a realização da configuração do Smart Modematravés do programa em ambiente Windows. Os pinos “GND” e “HAB_33” ficaram dispostos emposição trocada. A Figura 63 ilustra a incompatibilidade de ligação entre os pinos do conversor ea placa.

Figura 63: Erro no Arranjo dos Pinos no Conector “DATA”.

Fonte: Autor.

O terceiro erro diz respeito a lógica de operação do pino “HAB_33”, que da forma comoestá projetado, desabilita o regulador de tensão LP2981 quando em nível lógico baixo. Sendoassim, o SAD deve colocar nível logico baixo neste pino para que o Smart Modem fique emmodo de espera, já que existe um resistor de pull up no barramento, o inconveniente é que se oSAD for desligado, o Smart Modem ficará ligado, o que é totalmente inconsistente.

O quarto erro não interfere no funcionamento do sistema, apenas foi constatado que oconector “DEBUG” contém circuitos para controle de fluxo e para transmissão de dados, sendoque a operação de depuração tem por objetivo apenas a recepção de dados, sendo assim, oscircuitos de controle de fluxo e de transmissão são inúteis na placa.

Por último, poderia ter sido disponibilizado um conector de cartão SIM diretamentena placa do Smart Modem, visto que foi lançado recentemente o módulo UC 864-E que éuma evolução do GC 864 QUAD V2, esses módulos tem compatibilidade pino a pino, mas oUC 864-E não dispõe de conector de cartão SIM integrado, sendo assim fica impossível a sua

5.2. Operação do Sistema 91

utilização. Este fato pode não representar uma interferência direta no projeto, entretanto promovesua obsolescência prematura.

5.2 Operação do Sistema

Como já discutido nas seções anteriores, o Smart Modem utiliza um protocolo decomunicação para receber dados de um SAD, como a comunicação é serial, foi utilizado umprograma de comunicação serial, “X-CTU” distribuído pela empresa Digi International, parasimular um SAD.

Inicialmente foram realizadas as configurações necessárias no programa de configuraçãodo sistema. A operadora utilizada foi a Vivo, o servidor de DNS da Google e os outros parâmetrosforam deixados padrão, como pode ser visto na Figura 64.

Figura 64: Configurações para o envio de dados pelo Smart Modem (aba “Geral”).

Fonte: Autor.

Para realizar o ensaio de funcionamento com o Smart Modem, foi utilizado um servidorcomo destinatário dos dados de teste, como ilustrado nas configurações da 65, este servidor éutilizado pelo “LA2I” para recebimento de dados em projetos que utilizam sistema de transmissãode dados GPRS.

Os dados a serem enviados foram representados pelo texto a seguir:


Figura 65: Configurações para o envio de dados pelo Smart Modem (aba “Transmissão”).

Fonte: Autor.

“Teste de funcionamento do Smart Modem dia 14 de fevereiro de 2016, com afinalidade de gerar resultados para ser documentado no Trabalho de Conclusão deCurso intitulado Sistema de Transmissão de Dados para Lugares Remotos: Análisede Soluções e um Estudo de Caso com Modem GPRS.”

Este texto contém 281 bytes, desse modo, precisou ser dividido em três partes, duasde 128 bytes e uma de 25 bytes. A partir disso, foi calculado o checksum de cada um dos trêsconjuntos de caracteres, para isso foi utilizado o site “http://asciivalue.com/” para realizar a somados caracteres e posteriormente encontrar o valor do checksum (8 bits menos significativos dovalor total da soma).

Feito isso, deu-se o início ao envio dos dados através do terminal X-CTU, os frames

foram enviados um a um, observando a resposta do Smart Modem como mostra a Figura 66,os caracteres de cor azul são os dados enviados para o Smart Modem e os caracteres de corvermelha são as respostas do Smart Modem para o SAD.

Para melhor entendimento, os comandos de texto na Figura 66 são transcritos a seguir:

• ##STRT##

• ##ACKK##

5.2. Operação do Sistema 93

Figura 66: Comunicação com o Smart Modem através do terminal X-CTU.

Fonte: Autor.

• ##PACK##0281›##

• ##ACKK##

• ##DATA##Teste de funcionamento do Smart Modem dia 14 de fevereiro de 2016, com afinalidade de gerar resultados para a ser documentado nÂ##

• ##ACKK##

• ##RMNG##000153##

• ##DATA##o Trabalho de Conclusão de Curso intitulado Sistema de Transmissão de Dadospara Lugares Remotos: Análise de Soluções e um EstudÌ##

• ##ACKK##

• ##RMNG##000025##

• ##DATA##o de Caso com Modem GPRS.ù##

• ##ACKK##

• ##RMNG##000000##

• ##EOFD##

• ##ENDD##


• ##ACKK##

A transmissão dos dados também foi monitorada, a leitura dos dados foi feita no sentidodo microcontrolador para o módulo GC 864 QUAD V2, é possível observar alguns dos parâmetrosinseridos no programa de configuração, como mostra a Figura 67.

Figura 67: Depuração do Envio dos Dados através do terminal X-CTU.

Fonte: Autor.

Finalmente os dados foram recuperados no servidor, foram observados erros em relaçãoaos caracteres especiais no texto, os erros se deram pela incompatibilidade do terminal X-CTUcom esses caracteres.

“Teste de funcionamento do Smart Modem dia 14 de fevereiro de 2016, com a

5.3. Custos de Manutenção 95

finalidade de gerar resultados para ser documentado no Trabalho de Conclus.o deCurso intitulado Sistema de Transmiss.o de Dados para Lugares Remotos: An.lisede Solu..es e um Estudo de Caso com Modem GPRS.”

5.3 Custos de Manutenção

Os custos de manutenção são exclusivamente relacionados aos serviços prestados pelasoperadoras de telefonia móvel, tais custos dependerão da forma com que o sistema é aplicado,mais especificamente, de quais serviços são utilizados, SMS, GPRS, chamadas de voz, APNexclusivo, Roaming, entre outros.

Atualmente as operadoras estão explorando cada vez mais o nicho de mercado chamadode “Comunicação M2M”, disponibilizando serviços exclusivos para comunicação de dados,dessa forma o usuário pode contratar um pacote específico para sua necessidade.

A seguir são apresentados alguns planos das principais operadoras atuantes no Brasil,Vivo, Tim, Claro, Oi e a operadora local da região de Londrina, a Sercomtel.

Tabela 18: Valores em R$ de mensalidade dos planos de dados.

Pacote de Dados Vivo Tim Claro Oi Sercomtel2 MB 9,90 - 7,00 - 15,89

10 MB - - 12,75 - -20 MB 15,90 7,90 14,35 - -50 MB 19,90 11,90 18,55 - -

100 MB 29,90 18,90 27,50 - -

Os dados da Tabela 18 foram coletados nos sites de cada operadora citada, com o objetivode exemplificar com valores numéricos os custos de manutenção de um sistema como este. Oscampos não preenchidos referem-se a pacotes não disponíveis ou sem valor divulgado. Osserviços M2M são mais indicados para empresas que fazem uso contínuo de transmissão erecepção de dados, como por exemplo rastreamento veicular, medição e controle remoto decentros de distribuição de energia, controle de processos industriais, entre outros.

Para a proposta do Smart Modem, torna-se mais adequado a utilização de uma linhapré-paga ou pós-paga comum, a diferença é que o usuário dificilmente irá utilizar o pacote dedados contratado acabando por acumular ou perder bônus de serviços, o serviço de voz disponívelnão será utilizado podendo até ser indesejável em certos casos e por fim, o recebimento de “spam”SMS. Há também o risco de certas operadoras boicotarem o serviço de dados por detecção da nãomobilidade, não utilização de outros serviços disponibilizados e periodicidade de transmissãode dados, em outras palavras, acabam por forçar o cliente a utilizar seus pacotes específicos decomunicação de dados.

97

6 Fechamento

6.1 Conclusões

A organização modular tem como finalidade básica auxiliar o gerenciamento em sistemascomplexos, esta foi a principal motivação para este projeto, um dispositivo de transmissão dedados deve ser apenas um acessório em um sistema complexo de aquisição, monitoramento eprocessamento de dados, sendo assim, o dispositivo de transmissão de dados não pode exigirgrandes rotinas de processamento para o seu funcionamento, pois acaba onerando a funçãoprincipal do sistema.

O desenvolvimento deste projeto visou a solução do problema acima mencionado, dessemodo pode-se considerar que os objetivos foram alcançados, a complexidade do funcionamentodo sistema não ficou visível e nem exigiu conhecimento operacional do usuário final, comoocorria anteriormente. Isso se deu pela adoção de um protocolo de comunicação que padroniza aforma de operação do sistema e pelo uso do programa de configuração em alto nível, onde osparâmetros de conexão e operação são facilmente configurados.

6.2 Trabalhos Futuros

Correção dos problemas relatados na seção Resultados e Discussão;

Desenvolvimento de uma conexão do tipo on line entre o SAD e o servidor, de modo quehaja a possibilidade de atuação e controle em tempo real no sistema;

Desenvolvimento de controle e comunicação de dados a partir dos serviços SMS e Email;

Trocar o microcontrolador MC9S08JM32 pelo MC9S08JM60, já que são compatíveispino a pino e este último dispõe de 4 kB de memória RAM, o que se faz necessário no caso daimplementação das funções sugeridas acima;

99

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