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Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Centro de Tecnologia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Desenvolvimento de um Software de Comunicação sem
Fio Aplicado à Instrumentação de Unidade de Elevação
de Petróleo Tipo Plunger Lift
Felipe Denis Mendonça de Oliveira
Natal, RN - Brasil
Fevereiro de 2009
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Felipe Denis Mendonça de Oliveira
Desenvolvimento de um Software de Comunicação sem
Fio Aplicado à Instrumentação de Unidade de Elevação
de Petróleo Tipo Plunger Lift
Dissertação de Mestrado apresentada
ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte (Área
de Concentração: Automação e
Sistemas), como parte dos requisitos
necessários para obtenção do título de
Mestre em Engenharia Elétrica.
Orientador:
Prof. Dr. Sc. Andrés Ortiz Salazar
Co-orientador:
Prof. Dr. Sc. Luiz Affonso H. Guedes
de Oliveira
Natal, RN – Brasil
2009.
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Divisão de Serviços Técnicos
Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede
Oliveira, Felipe Denis Mendonça de.
Desenvolvimento de um software de comunicação sem fio aplicado à
instrumentação de unidade de elevação de petróleo tipo plunger lift /
Felipe Denis Mendonça de Oliveira. – Natal, RN, 2008.
135 f.
Orientador: Andrés Ortiz Salazar.
Co-orientador: Luiz Affonso H. Guedes.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do
Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Elétrica.
1. Redes de sensores sem fio – Dissertação. 2. Padrão IEEE 802.15.4,
SMAC – Dissertação. 3. Métodos de elevação artificial de petróleo –
Dissertação. 4. Plunger lift – Dissertação. I. Salazar, Andrés Ortiz. II.
Guedes, Luiz Affonso H. III. Universidade Federal do Rio Grande do
Norte. IV. Título.
RN/UF/BCZM CDU 681.586(043.3)
Dedico este trabalho à minha
esposa Monique Rosa, meu filho Henrique de Oliveira e aos meus pais, Leon Diniz (in
memorian) e Maria Inez, por todo amor carinho e dedicação, sem os quais esta
dissertação não teria sido realizada.
Agradecimentos
À Deus pela perseverança e determinação que me mantiveram firmes nesta
caminhada.
Ao meu filho Henrique Rosa de Oliveira, meu maior e mais atual presente.
Aos meus pais Maria Inez e Leon Diniz (in memorian), cujo caminho de vida e
profissional me baseei.
À minha esposa Monique Rosa que, com suas palavras de incentivo e suas
paciência, amor e carinho me ajudaram a chegar até aqui. Amo-te muito.
Ao meu orientador, professor Andrés Ortiz, sou grato pela oportunidade,
orientação, apoio, críticas, sugestões e amizade.
Ao professor Luiz Affonso pela ajuda na revisão deste modelo de dissertação,
sugestões, críticas e amizade.
Aos colegas do DCA, especialmente do projeto "Sem Fio 2". Obrigado.
Aos amigos Jefferson Doolan, Adelson, Luciano, Jurandir, Jader e Marcelo
Brandão pelas inúmeras horas de convivência, estudo e ajuda, meu muito
obrigado.
Aos demais colegas de pós-graduação, pelas críticas e sugestões.
À Agência Nacional de Petróleo (ANP) - PRH 14, pelo apoio financeiro ao
projeto e ao senhor Édson Bolonhini, engenheiro da Petrobrás, pelo consultoria
técnica.
Resumo
Este trabalho tem por finalidade desenvolver um software aplicado a um
sistema de comunicação de uma rede de sensores sem fio (RSSF), para
monitoramento de variáveis analógicas, digitais e comando de válvulas de
passagem do fluxo de gás em unidades de elevação artificial de petróleo e gás
natural do tipo Plunger Lift. A razão desta implementação deve-se ao fato que,
na configuração da planta estudada, os sensores comunicam-se com o CLP
(Controlador Lógico Programável) através de cabos e dutos, dificultando
eventuais modificações nesse sistema, tais como mudança de layout do
mesmo, além de inconveniências que venham a surgir da própria natureza do
local, como a presença de animais nas redondezas que tendem a destruir os
cabos de interconexão dos sensores ao CLP.
Para o desenvolvimento do software, foi utilizado o método de
comunicação polling, através do protocolo SMAC (Simple Medium Access
Control - padrão IEEE 802.15.4), no ambiente CodeWarrior, ao qual gerou um
firmware, carregado nas placas de monitoramento da RSSF, presentes no kit
MC13193-EVK, (todos os itens descritos acima são proprietários da Freescale
Semiconductors Inc.). O monitoramento e parametrização da rede utilizou uma
aplicação, desenvolvida no software LabVIEW, da National Instruments.
Os resultados foram obtidos através da observação do comportamento da
rede de sensores proposta, focando aspectos, tais como: quantidade de
pacotes recebidos e perdidos em ambientes externos (Outdoor) e internos
(Indoor), aspectos gerais de confiabilidade na transmissão dos dados,
coexistência entre outros tipos de redes sem fio e consumo de energia sob
diferentes condições de operação. Os resultados obtidos foram considerados
satisfatórios, o que comprovou a eficiência do software neste sistema de
comunicação.
Palavras-chave: Redes de Sensores sem Fio, Padrão IEEE 802.15.4, SMAC,
Métodos de Elevação Artificial de Petróleo, Plunger Lift.
Abstract
This dissertation aims to develop a software applied to a communication
system for a wireless sensor network (WSN) for tracking analog and digital
variables and control valve of the gas flow in artificial oil’s elevation units,
Plunger Lift type. The reason for this implementation is due to the fact that, in
the studied plant configuration, the sensors communicate with the PLC
(Programmable and Logic Controller) by the cables and pipelines, making any
changes in that system, such as changing the layout of it, as well as
inconveniences that arise from the nature of the site, such as the vicinity’s
animals presence that tend to destroy the cables for interconnection of sensors
to the PLC.
For software development, was used communication polling method via
SMAC protocol (Simple Medium Access ControlIEEE 802.15.4 standard) in the
CodeWarrior environment to which generated a firmware, loaded into the
WSN’s transceivers, present in the kit MC13193-EVK, (all items described
above are owners of Freescale Semiconductors Inc.). The network monitoring
and parameterization used in its application, was developed in LabVIEW
software from National Instruments.
The results were obtained through the observation of the network’s
behavior of sensors proposal, focusing on aspects such as: indoor and outdoor
quantity of packages received and lost, general aspects of reliability in data
transmission, coexistence with other types of wireless networks and power
consumption under different operating conditions. The results were considered
satisfactory, which showed the software efficiency in this communication
system.
Keywords: Wireless Sensor Networks, IEEE 802.15.4 Standard, SMAC,
Artificial Oil’s Elevation Methods, Plunger Lift.
i
Sumário
Lista de Figuras ................................................................................................. iv
Lista de Tabelas ................................................................................................. vi
Lista de Símbolos e Abreviaturas ..................................................................... vii
Capítulo 1 Introdução ........................................................................................ 10
1.1 Motivação ................................................................................................................ 11
1.2 Objetivos ................................................................................................................. 13
1.4 Trabalhos Relacionados ....................................................................................... 14
1.5 Aceite de Trabalho pra Publicação ..................................................................... 16
1.6 Estrutura da Dissertação .................................................................................... 167
Capítulo 2 Instrumentação para Sistemas de Elevação de Petróleo ................ 18
2.1 Métodos de Elevação Artificial ............................................................................ 18
2.1.1 Bombeio Mecânico - BM ................................................................... 18
2.1.2 Gas lift - GL ....................................................................................... 20
2.1.3 Bombeio por Cavidades Progressivas - BCP ................................... 22
2.1.4 Plunger Lift ........................................................................................ 23
2.1.4.1 Vantagens do método Plunger Lift ................................................... 25
2.2 Instrumentações Associadas e Variáveis Medidas em Poços On-shore de
Petróleo e Gás Natural ................................................................................................ 26
2.2.1 Cenário Atual da Instrumentação, Limitações Inerentes e
Possibilidades de Melhoria utilizando a Tecnologia Wireless .................... 27
Capítulo 3 Tecnologias de Comunicação sem Fio ............................................ 30
Estudo e Comparações dos padrões IEEE 802.15.1 e IEEE 802.15.4 ............ 30
3.1 Visão Geral das Tecnologias Sem Fio ............................................................... 30
3.2 Tipos Principais de Redes Sem Fio .................................................................... 32
3.3 Redes de Sensores Sem Fio ............................................................................... 33
ii
3.4 Características dos padrões IEEE 802.15.1 e IEEE 802.15.4 ....................... 35
3.4.1 Bluetooth (IEEE 802.15.1) ................................................................ 35
3.4.2 LR-WPAN IEEE 802.15.4 ................................................................. 37
3.4.2.1 Camada Física (PHY) ....................................................................... 39
3.4.2.1.1 Numeração dos canais e coexistência com outras redes
wireless .......................................................................................................... 41
3.4.2.2 Camada MAC ...................................................................................... 43
3.4.2.3 Taxa de Transmissão de Dados ....................................................... 44
3.4.2.4 Criando uma rede baseada em Beacons ........................................ 45
3.4.2.5 Topologias ............................................................................................ 46
3.4.2.5.1 Topologia Estrela ......................................................................... 47
3.4.2.5.2 Topologia Ponto-a-ponto ............................................................ 47
3.4.2.5.3 Topologia Cluster tree ................................................................. 47
3.4.2.6 Mecanismo de detecção de erro CSMA-CA ................................... 49
3.4.2.7 Limitações do Padrão IEEE 802.15.4 .............................................. 50
3.4.3 Zigbee (IEEE 802.15.4) .................................................................... 50
3.4.3.1 Topologias do protocolo Zigbee ....................................................... 52
3.4.4 FREESCALE SMAC ......................................................................... 53
3.4.4.2 Algoritmo de Checagem de Erros .................................................. 55
3.4.4.3 Primitivas e Estruturas do SMAC ................................................... 55
3.5 Comparações entre os padrões IEEE 802.15.1 e IEEE 802.15.4 ................. 56
3.6 Comparações entre os protocolos Zigbee e Freescale SMAC ...................... 59
Capítulo 3 Software de Comunicação da RSSF ............................................... 61
4.1 Qualidade de Software ......................................................................................... 61
4.2 Diagrama de Blocos da RSSF ............................................................................. 62
4.3 Sensores e atuadores ........................................................................................... 63
4.4 Plataforma de Desenvolvimento ......................................................................... 64
4.4.1 Transceptor MC13192 ....................................................................................... 65
4.4.1.1 Modos de Operação do Transceptor MC13192 ............................. 66
4.4.2 Microcontrolador MC9S08GT - Família HCS08 ............................................ 67
4.4.2.1 Módulo de conversão Analógico-Digital (ATD) .............................. 68
4.4.3 Bancada de testes .............................................................................................. 69
4.4.4 Supervisório – Labview ..................................................................................... 71
4.5 Arquitetura da Rede .............................................................................................. 73
iii
4.5.1 Métodos de Acesso Controlado ....................................................................... 74
4.5.2 Mecanismos de Economia de Energia (Transceptores Escravos) ............ 76
4.6 Comunicação dos elementos da RSSF ............................................................. 77
4.6.1 Comunicação Supervisório/Transceptor Mestre ........................................... 77
4.6.1.1 Descrição da troca de mensagens ............................................................... 78
4.6.2 Comunicação Transceptor Mestre/Supervisório ........................................... 79
4.6.2.1 Firmware do Transceptor Mestre ................................................................. 80
4.6.2.2 Descrição da troca de mensagens ............................................................... 81
4.6.3 Comunicação Transceptor Mestre/Transceptor Escravo ............................ 82
4.6.3.1 Descrição da troca de mensagens ............................................................... 83
4.6.4 Comunicação Transceptor Escravo/Mestre ................................................... 84
4.6.4.1 Firmware do Transceptor Escravo ............................................................... 84
4.6.4.2 Descrição da troca de mensagens ............................................................... 86
Capítulo 5 Resultados ....................................................................................... 88
5.1 Tempos de comunicação da RSSF .................................................................... 88
5.2 Avaliação do firmware dos transceptores escravos na economia de energia
......................................................................................................................................... 91
5.4 Testes com Sinais de Interferência entre redes wireless ................... 100
5.4.1 IEEE 802.15.4 x IEEE 802.11b/g .................................................... 101
5.4.1 IEEE 802.15.4 x IEEE 802.15.1 ...................................................... 102
5.5 Testes de recuperação de falhas ....................................................... 102
5.5.1 Latência máxima da rede frente a falhas de comunicação ............. 102
5.5.2 Falha de comunicação permanente em um transceptor ................ 103
5.5.3 Troca “a quente” de transceptores .................................................. 103
Capítulo 6 Considerações Finais .................................................................... 105
Referências Bibliográficas .............................................................................. 107
Apêndice A ..................................................................................................... 114
Apêndice B ..................................................................................................... 116
Apêndice C ..................................................................................................... 123
Apêndice D ..................................................................................................... 126
iv
Lista de Figuras
Figura 2.1: Movimentos das partes no BM. ...................................................... 20
Figura 2.2: Sistema de gás lift. ......................................................................... 21
Figura 2.3: Método de elevação artificial - GL contínuo. .................................. 21
Figura 2.4: Sistema BCP. ................................................................................. 23
Figura 2.5: Etapas do processo de produção no método plunger lift. .............. 24
Figura 2.6 (a) – Método Natural e (b) Método Assistido ................................... 25
Figura 2.7: Diagrama de blocos do monitoramento à distância de unidades de
elevação artificial .............................................................................................. 27
Figura 2.8: Método de elevação Pluger Lift (configuração atual). .................... 28
Figura 2.9: Diagrama de blocos da RSSF proposta, associada à
instrumentação e acionamento sem fio do método de elevação artificial de
petróleo Plunger Lift. ........................................................................................ 29
Figura 3.1 – Alcance, taxa de transmissão e principais aplicações das redes
sem fio de curto alcance .................................................................................. 33
Figura 3.2 - Camadas de comunicação ........................................................... 39
Figura 3.3 – SAPs da camada física (IEEE 802.15.4, 2003) ............................ 40
Figura 3.4 – formato de transmissão dos pacotes na camada física (EADY,
2007) ................................................................................................................ 41
Figura 3.5 – Canais do padrão IEEE 802.15.4. ................................................ 42
Figura 3.6 – Comparação entre os canais das redes Wi-Fi IEEE 802.11b/g e
LR-WPAN (Petersen, 2007) ............................................................................. 42
Figura 3.7 - SAPs da camada MAC (IEEE 802.15.4, 2003) ............................. 44
Figura 3.8 – Transmissão serial de dados utilizando beacons (Freescale, 2008)
......................................................................................................................... 46
Figura 3.9 – Topologias do padrão IEEE 802.15.4 (IEEE 802.15.4, 2003) ...... 46
Figura 3.10 – Topologia de rede cluster tree (IEEE 802.15.4, 2003) ............... 48
v
Figura 3.11 – Algoritmo CSMA/CA. .................................................................. 49
Figura 3.12 – pilha de protocolos do Zigbee (Zigbee Specification, 2008) ....... 51
Figura 3.13 – Topologia Mesh (Zigbee Specification, 2008) ............................ 53
Figura 3.14 – Estrutura do pacote (Simple Media Access Controller User’s
Guide – Freescale, 2008) ................................................................................ 54
Figura 4.1: Diagrama de blocos do sistema de instrumentação proposto. ....... 62
Figura 4.2 – Caixa de acondicionamento do módulo de sensoriamento. ......... 63
Figura 4.3 – Caixa de acondicionamento do módulo de acionamento das
válvulas pneumáticas ....................................................................................... 63
Figura 4.4 – Localização dos sensores e atuadores no Plunger Lift assistido . 64
Figura 4.5: Placas da rede Wireless. ................................................................ 64
Figura 4.6: Interface de desenvolvimento dos firmwares ................................. 65
Figura 4.7 – Fotos da bancada de testes 1 ...................................................... 69
Figura 4.8 – Bancada de testes 2. .................................................................... 70
Figura 4.9 – Montagem dos transceptores para área classificada. .................. 71
Figura 4.10: Tela do supervisório. .................................................................... 72
Figura 4.11: Tela de programação do supervisório. ......................................... 73
Figura 4.12 – Elementos do protótipo da RSSF proposta. ............................... 74
Figura 4.13 – Comunicação Supervisório/Transceptor Mestre ......................... 78
Figura 4.14 – Comunicação Transceptor Mestre/Supervisório ......................... 79
Figura 4.15 – Fluxograma do firmware do transceptor mestre. ........................ 83
Figura 4.16 – Fluxograma do firmware do transceptor escravo ....................... 86
Figura 5.1 – Período de comunicação dos transceptores escravo (1 em 1 s) .. 89
Figura 5.2 – Tempo total de transmissão de um transceptor ........................... 90
Figura 5.3 – Tempo total de transmissão de um transceptor. .......................... 91
Figura 5.4 – RSSF em ambiente externo de testes. ......................................... 94
Figura 5.5 – Correlação distância x pacotes perdidos. ..................................... 96
Figura 5.6 – Pontos de medição indoor – prédio DCA/UFRN (planta parcial).. 98
Figura 5.7 – Correlação distância x pacotes perdidos (indoor). ....................... 99
vi
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 – Parâmetros da camada PHY ....................................................... 40
Tabela 3.2: SMAC API (Freescale, 2008). ....................................................... 56
Tabela 3.3 – Tabela comparativo entre Bluetooth e IEEE 802.15.4 ................. 58
Tabela 3.4 – Comparação entre os principais protocolos WPAN. .................... 60
Tabela 4.1: Características da Qualidade de Software (ISO/IEC 9126-1) ........ 61
Tabela 4.2: Modos de Operação do Transceptor MC1319x. ............................ 67
Tabela 4.3: Estados do Transceptor Mestre..................................................... 80
Tabela 4.4: Estados do Transceptor Escravo. .................................................. 84
Tabela 5.1 – Medições outdoor a 2 metros. ..................................................... 94
Tabela 5.2 – Medições outdoor a 5 metros. ..................................................... 95
Tabela 5.3 – Medições, de 5 a 50 metros. ....................................................... 95
Tabela 5.4 – Medições indoor – distância x média de pacotes perdidos. ........ 99
Tabela 5.5 – 802.15.4 x 802.11b/g - Medições outdoor a 5 metros. .............. 101
vii
Lista de Símbolos e Abreviaturas
AES Advanced Encryption Standard
ANSI American National Standards Institute
AP Access Point
APS Aplication Suport
ATD Analog to Digital
ATDC ATD Control
ATDCH Analog Input Channel Select
ATDCO ATD Continous Conversion
ATDIE ATD Interrupt Enabled
ATDPE ATD Pin Enable
ATDPU ATD Power Up
ATDSC ATD Status and Control
BCP Bombeio por Cavidades Progressivas
BDM Background Debug Module
BER Bit Error Rate
BM Bombeio Mecânico
BO Beacon Order
BPSK Binary Phase Shift Keying
CC Corrente Contínua
CCA Clear Channel Assessment
CCF Conversion Complete Flag
CE Ceará (Estado brasileiro)
CLP Controlador Lógico Programável
CRC Cyclic Redundancy Code
CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
D Dispositivo
viii
DJM Data Justification Mode
DSSS Direct Sequence Spread Spectrum
ED Energy Detection
ETHERNET Arquitetura da LAN
EVB Evaluation Boards
EVK Evaluation Kit
FCS Frame Check Sequence
FFD Full Function Device
FLI Frame Length Indicator
FSK Frequency Shift Keying
GL Gas Lift
GTS Guarantee Time Slots
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers
IP Índice de Produtividade
ISM Industrial Scientific and Medical
LLC Logical Link Control
LQI Link Quality Indication
LR-WPAN Low-rate Wireless Personal Area Network
MAC Medium Access Control
MCPS-SAP MAC Common Part Sublayer Service Access Point
MLME MAC Layer Management Entity
NWK Network Layer
O-QPSK Off Set Quaternary Phase Shift Keying
OSI Open System Interconnection
PAN Personal Area Network
PD Physical Data
PDA Personal Digital Assistant
PER Packet Error Rate
PHY PHYsical Layer
PLME PHY Layer Management Entitiy
PLS Pressão na Linha de Surgência
PRS Pre-escaler Rate Select
PSDU PHY Service Data Unit
PSK Phase Shift Keying
ix
PWM Pulse Width Modulation
RE Repetidor
RES8 ATD Resolution Select
RF Radio Frequency
RFD Reduced Function Device
RFID Radio Frequency Identification
RSSF Rede de Sensores Sem Fio
RX Recebidos
SAP Service Access Point
SD Sleeping Device
SE Standard Edition
SFD Start Frame Delimiter
SGN Signed Result Select
SMAC Simple Medium Access Control
S-MAC Sensor MAC
SPI Serial Peripheral Interface
SSCS Service Specific Convergence Sublayer
TD TX-only Device
TX Transmitidos
UTR Unidade de Transmissão Remota
UWB Ultra Wide Band
Wi-Fi Wireless Fidelity
WIMAX Wireless MAN
WLAN Wireless Local Area Network
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
WPAN Wireless Personal Area Network
WWAN Wireless Wide Area Network
ZDO Zigbee Device Objects
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
______________________________________________________________________
10
Capítulo 1
Introdução
No decorrer dos últimos anos tem-se assistido a uma enorme
expansão de dispositivos de comunicação via rádio, que surgem nas mais
diversas áreas, estando cada vez presente no cotidiano de pessoas e
empresas. A ausência de uma ligação por cabo e uma conseqüente
versatilidade em termos de instalação ou posição dos dispositivos
intervenientes na rede é a vantagem mais evidente das redes que se apóiam
sobre este tipo de comunicação, a somar à possibilidade dos próprios
emissores ou receptores poderem estar em movimento durante a comunicação
[Campos, 2006].
Com o sucesso obtido pelas Redes Locais sem Fio (WLANs – Wireless
Local Área Networks), a comunidade de desenvolvedores de padrões para
redes móveis tem focado sua atenção em melhorar as capacidades da WLAN e
em desenvolver novas abordagens para compatibilizar as necessidades de
crescimento de aplicações que requeiram dispositivos wireless, tais como
computadores e periféricos, roteadores e dispositivos de interconexão móveis.
Concomitantemente a isto, existe outro tipo de rede, definido pelo padrão IEEE
802.15 como Rede Pessoal de Comunicação sem Fio (WPANs – Wireless
Personal Area Network). As tecnologias WPAN são descritas no padrão IEEE
802.15, sendo consideradas como suas extensões: Bluetooth (IEEE 802.15.1),
Ultra Wide Band - UWB (IEEE 802.15.3), e IEEE 802.15.4. O padrão IEEE
802.15.4 tornou, portanto, viável a construção de redes de sensores sem fio
(RSSF), aplicadas às áreas industrial, médica, comercial e residencial.
As RSSF têm características que as diferem bastante das redes mais
comuns. Uma característica das RSSF é que são centradas em dados,
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
______________________________________________________________________
11
diferente das redes tradicionais centradas em endereço. Assim, um nó difunde
(ou pede) informações baseadas em atributos. Além disso, os nós-sensores
devem atender a requisitos específicos da aplicação, muito comumente os nós
focam-se em apenas um atributo, ou um pequeno conjunto de atributos,
necessitando então de processamento no interior da rede. As restrições
impostas à rede de sensores sem fio implicam em uma série de requisitos para
os protocolos de comunicação nunca antes encontrados em tal escala. Como
conseqüência de suas características, os protocolos de comunicação e
gerenciamento da rede devem ter capacidades de auto-gestão [Campos 2006].
1.1 Motivação
A grande quantidade de sensores, atuadores, controladores e
supervisórios existentes, principalmente nas indústrias, além da necessidade
de conectividade entre eles, têm alavancado a pesquisa e o desenvolvimento
de tecnologias de transmissão de dados utilizando o ar como meio físico, que
permitam uma elevada quantidade de dispositivos conectados a um baixo
custo e com alto grau de confiabilidade. [Gessinger & Hennig 2005].
Nos métodos atuais de automação e controle, o monitoramento das
variáveis envolvidas nos processos industriais, comerciais e/ou residenciais
realiza-se através de fios e cabos. Entretanto, neste meio de transmissão
físico, problemas como: desgaste do material, portabilidade, flexibilidade,
confiabilidade dos dados obtidos, etc., estão sempre presentes com maior ou
menor intensidade.
Diante disto, e sabendo-se que a indústria do petróleo caracteriza-se
por ser, em quase toda sua totalidade, uma área com permanentes riscos de
explosões, também denominada "Área classificada", a retirada de cabos que
interligam sensores e atuadores aos seus dispositivos controladores (exemplo:
CLP) torna-se de extrema importância, flexibilizando e portabilizando tais
sistemas reduzindo, também, o custo operacional de instalação e desinstalação
destes equipamentos.
Surge então a possibilidade da utilização da tecnologia wireless.
Entretanto, estes métodos de transmissão possuem suas características e seus
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
______________________________________________________________________
12
limitantes, tornando de suma importância o devido equacionamento dos
problemas, visando a melhor eficiência da solução a ser empregada.
Como se trata, no presente estudo, da implementação de um software
que permita a comunicação entre dispositivos (sensores, atuadores e
supervisórios) presentes numa planta industrial onde, basicamente, trafegam
dados, a taxa de transmissão não necessita ser elevada e o consumo de
energia deve ser minimizado, a escolha do padrão LR-WPAN IEEE 802.15.4
torna-se a ideal.
A documentação do IEEE 802.15.4, revisão 2007, cita as
características da rede LR-WPAN (Low-rate Wireless Personal Área Network),
dentre as quais se destacam:
• baixo custo;
• baixo consumo de energia;
• alta eficiência utilizando poucos recursos de processamento;
• segurança dos dados;
• determinismo na rede.
• 16 canais na freqüência de 2,4 Ghz, 30 canais na freqüência de 915
Mhz e 3 canais na freqüência de 868 Mhz.
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
______________________________________________________________________
13
1.2 Objetivos
A comunicação via wireless baseada no padrão IEEE 802.15.4, pode
ser realizada desenvolvendo-se desde protocolos baseados nas camadas mais
inferiores, como a camada MAC (Médium Access Control) até as mais
externas, que é o caso do padrão Zigbee [Flowers et al. 2006].
O objetivo principal deste trabalho consiste em desenvolver um software
baseado no Padrão SMAC, da Freescale. O mesmo foi testado no kit
MC13193-EVK (Freescale Semiconductors Inc.) formando, assim, um sistema
de comunicação de uma RSSF, no intuito de ser utilizado em unidades de
elevação artificial de petróleo e gás natural, em particular, as do método Pluger
Lift. Vale salientar que a metodologia empregada nos softwares embarcados
(firmwares) nos transceptores não é dependente de nenhum protocolo
permitindo, desta forma, a portabilidade da solução apresentada. O controle
dos atuadores e sensores (feitos pelo CLP da planta), bem como
características de implementação física da RSSF (níveis de radiação, potência
de transmissão, interface sensor/transceptor/CLP) e técnicas de segurança na
transmissão da informação serão tratados em futuros trabalhos, ligados ao
projeto “Sem Fio 2”.
1.3 Justificativa
Como os sensores e atuadores comunicam-se com um CLP
(Controlador Lógico Programável) através de cabos e dutos, dificultando
eventuais alterações nesse sistema (mudança de layout do mesmo, por
exemplo) além de problemas que possam surgir da própria natureza do local,
como a presença de animais nas redondezas que tendem a destruir tais cabos
de interconexão, são motivos que justificam a utilização da RSSF.
Por se tratar de uma área classificada, a faixa de freqüência a ser
utilizada, dentre as que são regulamentadas pela ANATEL, foi relacionada ao
tipo de protocolo empregado neste estudo [Campos 2006].
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
______________________________________________________________________
14
1.4 Trabalhos Relacionados
Existem vários trabalhos sendo desenvolvidos utilizando o padrão IEEE
802.15.4, onde muitos são voltados à indústria de petróleo e gás natural.
Destacamos os seguintes:
Lansford et. al., em “Wi-Fi (802.11b) and Bluetooth: Enabling
Coexistence” (2001) estudaram a coexistência entre as redes sem fio que
utilizavam o padrão IEEE 802.15.1 (Bluetooth) e o IEEE 802.11b (Wi-Fi),
ambos operando no mesmo espectro de freqüência (2,4Ghz), criando cenários
onde os sistemas foram postos muito próximos. O artigo descreve
mecanismos básicos de interferências, construindo simulações detalhadas
baseadas nas camadas física (PHY) e de acesso ao meio (MAC) dos dois tipos
de redes. O artigo conclui que, através de modificações no design das antenas
e implementações de técnicas empregadas nas camdas PHY e MAC das
tecnologias estudadas, é possível diminuir ou até mesmo eliminar as
interferências entre esses dois tipos de redes. Conclui, ainda que, mesmo com
a presença dessas interferências, como o tratamento dos pacotes de dados e
do tipo de informação trafegada, em geral, é distinta nas duas abordagens,
ambas as redes conseguem se recuperar das colisões e reenviar os dados
sem que a eficiência, robustez e segurança das redes sejam afetadas.
Campos, em “Estudo e Especificação de um Sistema de Instrumentação
para Unidades de Elevação de Petróleo Utilizando Tecnologia sem Fio” (2006)
propôs a criação de um sistema de instrumentação utilizando tecnologia sem
fio, com o desenvolvimento de um software baseado no protocolo Freescale
SMAC (IEEE 802.15.4) aplicado ao monitoramento de variáveis analógicas
e/ou digitais de unidades de elevação de petróleo e gás natural, mais
particularmente, o método de Bombeio Mecânico. Para avaliar o enlace de
comunicação com relação a quantidade de pacotes perdidos em diferentes
ambientes (ambientes internos (Indoor) e externos (Outdoor)), foi montado um
protótipo composto por duas placas da Freescale chamadas, respectivamente,
de placa mestre e placa escrava, em topologia e comunicação ponto-a-ponto.
A placa escrava era responsável por enviar à placa mestre as informações
provenientes da leitura dos sensores de carga e posição e a placa mestre
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
______________________________________________________________________
15
recebia essas informações e as enviava para um supervisório desenvolvido no
software Labview. Os resultados apresentados foram considerados
satisfatórios, visto que o objetivo era estudar e avaliar o desempenho do enlace
de comunicação do padrão IEEE 802.15.4 aplicado a uma rede de sensores
sem fio para monitoramento de variáveis. Mesmo em ambientes considerados
problemáticos, como o caso de locais onde havia diversos equipamentos se
interpondo entre as placas de comunicação sem fio, houve pouquíssimas
perdas de pacotes. E, nos casos em que a perda foi extremamente elevada o
padrão ainda conseguia-se manter o link de comunicação.
Petersen et. al., em “Requirements, Drivers and Analysis of Wireless
Sensor Network Solutions for the Oil & Gas Industry” (2007) realizaram uma
análise das RSSF, e a sua aplicação na indústria de petróleo e gás natural,
estudando os benefícios do sensoriamento remoto (eliminação de cabos,
comunicabilidade em ambientes hostis, e expansibilidade da rede). Conceitos
relacionados ao consumo de energia dos dispositivos, bem como padronização
da RSSF foram estudados e considerados primordiais para sua
implementação. Experimentos foram feitos para determinar a eficiência das
RSSF baseadas no IEEE 802.15.4 e onde as RSSF deste padrão não
poderiam ser utilizadas. A conclusão do estudo é a recomendação de uma
topologia aberta, com tratamento eficiente de energia entre os dispositivos,
padronização da RSSF para que, desta forma, ela possa ser aplicada na
indústria de petróleo e gás.
Petersen & Skavhaug em “Layered Software challenge of Wireless
Technology in the Oil & Gas Industry” (2008), estudaram os desafios das
tecnologias wireless na indústria de petróleo e gás natural, enfatizando as
redes baseadas nos padrões IEEE 802.11a/b/g (RFID e comunicação entre
supervisórios e internet), IEEE 802.15.4 (RSSF), suas camadas de protocolo e
aplicações, concluindo que esforços dos desenvolvedores de soluções em
redes wireless aplicadas a indústria acima citada deve ser constante, no
sentido da melhor escolha da tecnologia, padrão e interface utilizadas.
Jawhar et. al. em “A Routing Protocol and Addressing Scheme for Oil,
Gas, and Water Pipeline Monitoring Using Wireless Sensor Networks” (2008),
focaram seu estudo na área de monitoramento e proteção das tubulações que
levam petróleo, gás e água, utilizando RSSF. Propuseram a criação de um
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
______________________________________________________________________
16
protocolo de roteamento chamado ROLS – Routing protocol for Linear
Strutcture. A estrutura da RSSF e protocolos associados foram otimizados, no
sentido de oferecer vantagens para a natureza linear da rede, diminuindo
custos de instalação e manutenção, melhorando a economia de energia e
garantindo a eficiência da comunicação. Resultados experimentais foram
utilizados para demonstrar a eficiência do método.
Bertoco et. al. em “Is CSMA/CA Really Efficient Against Interference in a
Wireless Control System? An Experimental Answer” (2008) enfatizaram a
importância da construção de protótipos de testes, no sentido de mensurar, na
prática, algumas fontes de interferência que podem surgir nas redes de
sensoriamento remoto, tais como das redes Bluetooth e Wi-Fi. O objetivo foi
otimizar os mecanismos de acesso à camada MAC do IEEE 802.15.4. As
análises mostram que a medição de certos parâmetros (quantidade de falhas
na transmissão, ciclo de tempo experimental, e notificação da latência da rede)
face a eventos de interferências podem ser efetivamente identificados e a
configuração da rede melhorada.
1.5 Aceite de Trabalho para Publicação
Aceite do trabalho intitulado “WSN Using IEEE 802.15.4 Standard in a
Plunger Lift Method”, a ser publicado, em edição especial, pela revista “The
Mediterranean Journal of Electronics and Communications”, ISSN 1744-2400.
O mesmo foi apresentado no XIII Congreso Internacional de
Telecomunicaciones (SENACITEL), na Universidad Austral de Chile, na cidade
de Valdívia, Chile, em 14 de novembro de 2008 (vide apêndices A, B, C e D).
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
______________________________________________________________________
17
1.6 Estrutura da Dissertação
O capítulo 2 apresenta um resumo do funcionamento de alguns dos
métodos de elevação mais comuns empregados na indústria petrolífera, assim
como a instrumentação inerente aos seus respectivos métodos, limitações e
sugestões de otimização em cada um, através de tecnologia sem fio, dando
ênfase ao método aplicado ao nosso estudo (pluger-lift). O capítulo 3
apresenta uma visão geral das tecnologias existentes, características e
limitações das mesmas, bem como comparativos entre elas. O capítulo 4
descreve, com detalhes, o software de comunicação aplicado à RSSF
proposta. O capítulo 5 apresenta a metodologia empregada e os resultados
gerados, com comentários a respeito destes. O Capítulo 6 apresenta as
considerações finais e sugestões para trabalhos futuros.
CAPÍTULO 2. INSTRUMENTAÇÃO PARA SISTEMAS DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
______________________________________________________________________
18
Capítulo 2
Instrumentação para Sistemas de
Elevação de Petróleo
Desde o surgimento da indústria do petróleo, os profissionais
envolvidos nela procuram otimizar a extração de suas matérias primas,
petróleo e gás natural. Na maioria dos poços de petróleo, sejam eles em terra
(on-shore) ou no mar (off-shore), a pressão do reservatório é suficientemente
elevada para fazer emergir os fluidos presentes em seu interior. Entretanto,
com o passar do tempo e a produção contínua, a pressão decresce e os fluidos
presentes em seu interior não conseguem mais elevar-se até a superfície. Os
poços que produzem por elevação natural são denominados de poços
surgentes (flowing wells).
Quando isto não ocorre, faz-se necessário a utilização de métodos de
elevação artificiais, onde os mesmos, através do fornecimento de um
diferencial de pressão sobre o reservatório, conseguem aumentar a vazão de
um poço [Campos 2006].
2.1 Métodos de Elevação Artificial
Nesta seção será apresentado, de forma resumida, o princípio de
funcionamento de alguns métodos de elevação artificiais mais utilizados no
Brasil, bem como a instrumentação associada a esses métodos, seus
limitantes e como este estudo pode contribuir para melhorar a instrumentação
do método Plunger Lift.
2.1.1 Bombeio Mecânico - BM
Logo após o início das atividades da indústria do petróleo, surgiu o
método de elevação artificial denominado bombeio mecânico (Sucker-rod
Pumping). Na quantidade total de poços produtores no mundo, 80% são de
CAPÍTULO 2. INSTRUMENTAÇÃO PARA SISTEMAS DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
______________________________________________________________________
19
bombeio mecânico, o que lhe dá a posição de método mais utilizado no mundo,
devido ao baixo custo com investimentos e manutenção, flexibilidade de vazão
e profundidade, boa eficiência energética e a possibilidade de operar com
fluidos de diferentes composições e viscosidades em uma larga faixa de
temperatura [Nascimento 2005, Costa 2004].
De acordo com Filho (2002), o BM é responsável por cerca de 8% da
produção diária de petróleo, onde é utilizado, praticamente, em poços de pouca
profundidade e com pequena vazão.
Neste método de elevação artificial, o movimento rotativo de um motor
elétrico ou de combustão interna é transformado em movimento alternativo por
uma unidade de bombeio situada próximo à cabeça do poço, através de uma
coluna de hastes até o fundo do poço, acionando uma bomba fazendo emergir
na superfície os fluidos presentes nele [Thomas, 2001], como pode visto na
Figura 2.1.
O motor somente é solicitado a fornecer energia no curso ascendente,
já no curso descendente, a força da gravidade é responsável pelo movimento
das hastes, uniformizando mais a distribuição de cargas durante o ciclo de
bombeio, exigindo continuamente o motor, prolongando sua vida útil. Este tipo
de método é razoavelmente problemático para ser utilizado em poços onde há
uma elevada produção de areia e/ou razão gás-óleo. A areia provoca um
desgaste mais acentuado nas partes móveis devido a sua abrasividade e o
gás, ao passar pela bomba, reduz sua eficiência volumétrica.[Thomas 2001].
CAPÍTULO 2. INSTRUMENTAÇÃO PARA SISTEMAS DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
______________________________________________________________________
20
Figura 2.1 - Movimentos das partes no BM.
2.1.2 Gas lift - GL
O aumento da produção de petróleo não pode contar apenas com a
descoberta de novos poços. Inúmeras iniciativas estão sendo realizadas para a
melhoria da produtividade dos poços existentes, através do aumento da
eficiência dos processos de produção de óleo e gás utilizando os métodos de
elevação artificiais anteriormente mencionados.
Nos últimos anos, a utilização do método de Gás Lift, Contínuo ou
Intermitente, tem dado um maior aporte no aumento de produtividade. Este
método de extração por elevação artificial aproveita o próprio gás obtido no
processo de produção. Ao ser retirado do poço, o petróleo é uma mistura de
óleo, gás, água e impurezas.
A primeira etapa consiste em passar o fluido produzido por uma série
de vasos separadores donde, desta separação, resultam o petróleo, a água,
areia, gás e impurezas. O gás é posteriormente secado, filtrado e devidamente
comprimido em pressurizadores, onde alcança pressões de até 1500 Psi, para
ser novamente injetado no poço extraindo, assim, o petróleo, como pode ser
visto na Figura 2.2. Nesta etapa do processo, encontramos as maiores
CAPÍTULO 2. INSTRUMENTAÇÃO PARA SISTEMAS DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
______________________________________________________________________
21
exigências de automatização (Controle e monitoramento das variáveis
inerentes ao processo). De acordo com Thomas (2001), este método é muito
utilizado em poços que produzem fluidos com alto teor de areia e elevada
razão gás-líquido.
Como mencionado anteriormente, há dois tipos de Gás lift. No método
contínuo de Gás lift, como o próprio nome diz, a coluna de produção é
gaseificada através da injeção contínua de gás, reduzindo as perdas de
pressão existentes na coluna de produção. Assim, há um aumento da pressão
do reservatório fazendo com que a mistura, gás-líquido, eleve-se até a
superfície [Nascimento 2005, Takács 2002]. A Figura 2.3 mostra um poço
equipado com Gás lift contínuo.
Figura 2.2- Sistema de gás lift.
Figura 2.3: Método de elevação artificial - GL contínuo.
CAPÍTULO 2. INSTRUMENTAÇÃO PARA SISTEMAS DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
______________________________________________________________________
22
Já no método intermitente, existe o chamado "Ciclo de Intermitência",
período que compreende o tempo decorrido entre duas aberturas da válvula
operadora; ou seja, sempre que uma coluna de fluido atinge um nível razoável,
acima do ponto de injeção, há a introdução de um jato de gás pressurizado,
como este ponto situa-se na base desta coluna, a mesma será elevada através
de uma golfada e, então, logo após isso, a válvula operadora será fechada para
que uma nova coluna de fluidos possa ser formada. Este período entre uma
abertura e outra, dependerá de vários fatores, podendo variar desde poucos
minutos até horas. De acordo com Thomas (2001), o gás lift Intermitente tem
sua aplicabilidade voltada à poços com baixa pressão de fundo (alto ou baixo
índice de produtividade - IP) ou com alta pressão mais baixo índice de
produtividade.
2.1.3 Bombeio por Cavidades Progressivas - BCP
O método BCP surgiu no Brasil em meados de 1980, em fase
experimental, no campo da Fazenda Belém - CE. Este método consiste na
transmissão de energia, através de um motor elétrico situado na cabeça do
poço, em energia mecânica; onde esta movimentará um conjunto de hastes e
uma bomba de cavidades progressivas no interior do poço, constituída por um
rotor e um estator. A geometria deste conjunto forma cavidades herméticas
idênticas. O rotor girando no interior do estator gera uma série de cavidades
iguais que deslocam o fluido da sucção para a descarga. O princípio de
funcionamento do BCP, é o mesmo de uma bomba de deslocamento positivo;
onde, ao completar um giro completo em torno do seu eixo, há o deslocamento
de um volume fixo de fluido, independentemente da pressão na saída. A Figura
2.4 mostra os componentes do BCP.
CAPÍTULO 2. INSTRUMENTAÇÃO PARA SISTEMAS DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
______________________________________________________________________
23
Figura 2.4: Sistema BCP.
De acordo com Thomas (2001), este método é utilizável em poços com
pouca profundidade, devido ao diferencial de pressão à que é submetida a
bomba, bem como, a maneira pela qual se transmite a energia da superfície ao
fundo. O BCP possui uma boa eficiência ao produzir fluidos muito ou pouco
viscosos, óleos parafínicos e com produção de areia.
2.1.4 Plunger Lift
O Plunger Lift é um método de elevação artificial intermitente, onde
uma coluna de fluidos é acumulada logo acima de um pistão (elemento
principal deste método) e, ao abrir uma válvula na superfície (motor valve), o
gás presente no interior da formação se expande empurrando o pistão para
cima, elevando com isso os fluidos presentes na coluna de produção (tubing).
O processo de produção do método Plunger Lift subdivide-se, basicamente, em
quatro etapas, como pode ser visto na Figura 2.5:
CAPÍTULO 2. INSTRUMENTAÇÃO PARA SISTEMAS DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
______________________________________________________________________
24
Figura 2.5: Etapas do processo de produção no método plunger lift.
Buildup - Nesta etapa a válvula pneumática (motor valve) está fechada,
isolando a pressão atmosférica da superfície da pressão do espaço anular. A
formação começa a produzir gás e óleo; como o gás é menos denso que o
óleo, ele acumula-se dentro do espaço anular, forçando o óleo a entrar na
coluna de produção (tubing).
Upstroke - Após um período de tempo determinado empiricamente, quando a
pressão de revestimento na cabeça do poço é considerada adequada, a
válvula (motor valve), então, é aberta, expandindo o gás dentro do espaço
anular fornecendo energia necessária à subida do conjunto - Pistão, liquid slug
e gás. Na subida desse pistão, devido à sua expansão, ele carrega parafinas
que estão incrustadas no tubing e impede que haja um processo denominado
fallback, ou seja, impede que o liquid slug desça para o fundo do poço.
Afterflow - Período em que a linha de produção é mantida aberta, após o pistão
alcançar a superfície. Decorrido este período, a motor valve é fechada.
Downstroke - Com o fechamento da válvula, o pistão cai ao fundo do poço
iniciando, assim, um novo ciclo (Buildup).
Há duas variantes do Plunger Lift, que são:
• Método Natural - Neste método a formação produz gás com pressão
suficiente para ser utilizado no processo.
• Método Assistido - A formação não consegue produzir gás na pressão
adequada e, então, há a injeção de gás no espaço anular, semelhante ao
processo de Gás Lift [Campos 2006].
CAPÍTULO 2. INSTRUMENTAÇÃO PARA SISTEMAS DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
______________________________________________________________________
25
A figura 2.6 (a) e (b) mostram, respectivamente, os métodos Natural e
Assistido.
Figura 2.6 (a) – Método Natural (b) Método Assistido
2.1.4.1 Vantagens do método Plunger Lift
Uma das principais vantagens do método de elevação Plunger Lift é
operar onde os outros métodos falham. O plunger Lift trabalha bem em poços
direcionais, que contêm desvios e mesmo nos verticais os quais quase sempre
não são 100% verticais. Os métodos mecânicos são ineficientes nesses poços,
como por exemplo, o Bombeio Mecânico, no qual o conjunto de hastes
encontra um desgaste bastante precoce devido ao atrito gerado com as
paredes do poço. O método Gás Lift é um dos mais usados e apresenta muito
poucas restrições, mas tem um fator essencial que deve estar presente no
método: a formação tem que ter pressão suficiente para elevar o fluido até a
superfície. O método Gás Lift somente ajuda essa elevação por meio da
injeção do gás que se mistura com o óleo diminuindo, assim, a sua viscosidade
e facilitando a sua elevação. Outra vantagem do método Plunger Lift é o papel
primário do pistão, ao qual evita o retorno (fallback) de liquido ao fundo do
poço. No caso de poços com problema de deposição de parafina, incrustações
ou hidratos, o pistão exerce um papel tão ou mais importante que o da redução
do fallback: evitar o acúmulo excessivo desses depósitos através de sua
freqüente remoção.
CAPÍTULO 2. INSTRUMENTAÇÃO PARA SISTEMAS DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
______________________________________________________________________
26
2.2 Instrumentações Associadas e Variáveis Medidas
em Poços On-shore de Petróleo e Gás Natural
À partir do final da década passada, notamos um crescimento na
automatização nos poços de petróleo On-shore e Off-shore. Todos os métodos
anteriormente mencionados caracterizam-se por possuir instrumentos e
sensores interligados a uma UTR - Unidade de transmissão remota, que tem
por finalidade monitorar variáveis de interesse para o controle do método.
Em qualquer método on-shore de elevação artificial de petróleo e gás
natural, a interligação dos sensores com o sistema de supervisão (UTR e
controle) é realizada através de fios e dutos que necessitam ser instalados em
tubulações de proteção, as quais necessitam de obras civis ou metalúrgicas
para blindar essa fiação, já que a indústria do petróleo é considerada como
uma área classificada. Devido ao alto custo em tempo de supervisão e mão de
obra de instalação, essa blindagem nem sempre é realizada corretamente ou,
simplesmente, não é realizada. A falta desta pode gerar um desgaste
prematuro dos fios e cabos, devido a intempéries e outros fatores, tais como
animais nas cercanias destruírem total ou parcialmente o isolamento e até
mesmo o conduto interno dos cabos, provocando o seu rompimento e,
conseqüentemente, a interrupção da interligação deste com o sensor ao qual
está ligado. Além disso, soma-se a quase impossibilidade de alterações após a
instalação. Os fatos anteriores demonstram que a movimentação de uma
unidade de bombeio equipada com diversos sensores, traz como
conseqüências o aumento no trabalho em interligações e, em muitos casos,
danos nas conexões e descalibragem nos instrumentos que necessitam serem
desinstalados, removidos do campo, recalibrados e instalados novamente.
Na automação dos métodos pneumáticos, a elevada quantidade de
sensores responsáveis pelo monitoramento das condições de operação dos
poços implica num exaustivo e minucioso trabalho de instalação e montagem,
sendo este o maior responsável pela dificuldade de implantação do sistema e
pela grande incidência de não conformidades na pré-operação [Campos 2006].
As variáveis monitoradas e controladas no método de elevação artificial
Plunger Lift são: pressão na coluna de produção, pressão na linha de
CAPÍTULO 2. INSTRUMENTAÇÃO PARA SISTEMAS DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
______________________________________________________________________
27
surgência, pressão na cabeça do poço, vazão na linha de gás (método
assistido), sensor magnético de verificação de chegada do pistão à superfície,
acionamento da válvula da linha de surgência (Motor Valve) e acionamento da
válvula da linha da injeção de gás (válvula eletro-pneumática).
2.2.1 Cenário Atual da Instrumentação, Limitações Inerentes e
Possibilidades de Melhoria utilizando a Tecnologia Wireless
Conforme descrito no item 2.2, os métodos de instrumentação e
controle de unidades de elevação de petróleo e gás natural estão utilizando,
largamente, CLP’s para o monitoramento, acionamento e controle dessas
unidades. O CLP fica, portanto, próximo a unidade de elevação, conectando
os sensores e atuadores, via cabos e dutos capilares. Com a crescente
utilização da tecnologia Wireless, o monitoramento e eventual intervenção no
controle das unidades de elevação puderam ser feitas à distância, facilitando a
identificação de possíveis falhas e permitindo, inclusive, o ajuste imediato de
variáveis de controle.
O diagrama de blocos da figura 2.7 ilustra melhor essa nova tendência.
Figura 2.7: Diagrama de blocos do monitoramento à distância de unidades de
elevação artificial.
A figura 2.8 mostra a planta estudada neste trabalho (Pluger Lift), na
configuração cujos sensores analógicos (pressão e vazão) e digitais (sensor
CAPÍTULO 2. INSTRUMENTAÇÃO PARA SISTEMAS DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
______________________________________________________________________
28
magnético de presença do pistão), bem como os atuadores (válvulas
pneumáticas) são destacados.
Nota-se, entretanto que, apesar do monitoramento e eventual controle
da planta poder ser feito à distância, os sensores e atuadores ainda estão
fisicamente conectados ao CLP e ao transceptor (UTR – Unidade de
Transmissão Remota). Este se comunica remotamente à unidade de
monitoramento via UHF, através de uma antena de 5 Watts de potência.
Como, na maioria das vezes, os poços se situam em lugares isolados e
de difícil acesso, a presença de roedores e outros animais podem danificar os
cabos, além de ser difícil, também, eventuais modificações no layout do
sistema ou mesmo o transporte do equipamento para outro poço, sendo
necessária a desconexão e posterior reconexão dos cabos e dutos, gerando
grande perda de tempo e de mão de obra especializada para tal tarefa.
Figura 2.8: Método de elevação Pluger Lift (configuração atual)
O presente estudo aplica a tecnologia wireless no desenvolvimento de
um software para transmissão de dados dos sensores e atuadores à UTR, com
fins de monitoramento e comando, respectivamente. Desta forma, o software
será componente essencial da RSSF associada ao método de elevação
Plunger Lift, ilustrada no diagrama da figura 2.9.
CAPÍTULO 2. INSTRUMENTAÇÃO PARA SISTEMAS DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
______________________________________________________________________
29
Vale salientar que o controle dos atuadores e tratamento dos dados
recebidos dos transceptores que serão acoplados aos sensores existentes na
planta é feito totalmente pelo CLP e não pelo software de gerenciamento
desenvolvido.
Figura 2.9: Diagrama de blocos da RSSF proposta, associada à
instrumentação e acionamento sem fio do método de elevação artificial de
petróleo Plunger Lift.
______________________________________________________________________
Capítulo 3
Tecnologias de Comunicação Sem Fio:
Estudo e Comparações dos padrões IEEE
802.15.1 e IEEE 802.15.4
3.1 Visão Geral das Tecnologias Sem Fio
Nos últimos anos, houve um desenvolvimento significativo das
tecnologias sem fio (wireless), principalmente devido à necessidade de
conectividade entre dispositivos, hoje existente. Até então, as tecnologias
wireless focavam mais nos serviços de voz (telefonia celular), Internet (IEEE
802.11x) e a transferência de dados em uma rede local. Entretanto, em
algumas áreas como a industrial, a médica, a de monitoramento de pacientes,
a indústria veicular e a residencial, necessitavam de uma tecnologia que
realizasse esta conectividade com um baixo consumo de energia, baixo custo,
simplicidade do protocolo e padronização [Gutierrez et al. 2001].
Segundo Santana, et. al. (2004), como vantagens de uma rede sem fio,
podem ser citadas:
• Facilidade de instalação: sem requerer nenhuma estrutura prévia, as
redes sem fio podem ser instaladas de forma rápida e fácil. No caso das redes
baseadas no padrão IEEE 802.11x, basta ser instalado um Ponto de Acesso
(AP – Access Point), que esteja conectado à rede cabeada do local ou à
Internet; as estações podem ser adicionadas, posteriormente, sob demanda.
• Mobilidade: dentro de uma área de alcance limitada, os dispositivos
podem mudar de posição a qualquer instante. Isso permite que o acesso a
informações e recursos computacionais, as posições de trabalho, as
aplicações, por exemplo, de entretenimento, como jogos, e de atendimento a
clientes ou pacientes não sejam fixos, mas possam se movimentar até locais
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
______________________________________________________________________
31
mais convenientes para o cliente de uma empresa, seus funcionários e até
mesmo para os pacientes de um hospital.
• Redução de Custo: como decorrência da própria mobilidade, a
eficiência dos funcionários de uma empresa aumenta pelo fato de poderem
contar com os recursos dos quais precisam em qualquer lugar e instante; bem
como diminuem os custos decorrentes da instalação e manutenção das redes,
principalmente, quando considerados os custos de instalação de redes
cabeadas em locais que requerem obra civil ou regiões de difícil acesso
(fisicamente distantes).
Como desvantagens de uma rede sem fio, podemos mencionar:
• Disponibilidade de Menor Banda de Transmissão: as redes sem fio
em geral provêem enlaces com menor banda passante. Como exemplos,
podemos citar as redes locais cabeadas Ethernet, que hoje atingem a taxa de
transmissão da ordem de dezenas de Gbps, comparadas às redes locais sem
fio, que operam tipicamente até dezenas de Mbps ou menos.
• Taxas de Erro: As redes sem fio apresentam uma taxa de erro de bit
(BER - Bit Error Rate) superior às redes com fio. No caso de um enlace de fibra
ótica, o BER típico varia entre 10-8 e 10-9, em um enlace sem fio, essa taxa cai
na faixa de 10-4 a 10-6 sendo necessário, portanto, o monitoramento constante
dessas taxas e a adoção de mecanismos de controle de colisão de dados, a
fim de garantir o envio e o recebimento da informação.
• Endereçamento: Em uma rede cabeada, o endereço lógico de uma
estação é usualmente vinculado ao endereço da rede a qual a estação está
conectada. No caso de redes sem fio, devido à mobilidade das estações, o seu
endereçamento fica mais complicado, não podendo depender da sua
localização geográfica.
• Roteamento: No caso das redes sem fio, as suas estações movem-se
de um lado a outro de forma não determinística, criando uma topologia
dinâmica. Isso tem impacto direto, não somente no endereçamento, como foi
mencionado anteriormente, mas também nos algoritmos e protocolos de
roteamento.
• Dispositivos com poder computacional reduzido: A perspectiva para
um ambiente de computação móvel é que muitos dispositivos utilizados neste
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
______________________________________________________________________
32
ambiente sempre serão computacionalmente mais escassos e simplificados em
relação aos demais dispositivos, mas capazes de executar aplicações mínimas.
Estas limitações são características importantes no desenvolvimento de
qualquer aplicação para estes ambientes, caracterizando um perfil de usuário
classificado como usuário de recursos escassos (thin user).
• Coexistência entre dispositivos de diferentes redes wireless: Com
a proliferação de diversos tipos de redes, torna-se um problema a coexistência
destas redes em um mesmo ambiente. Isso pode gerar interferências e perda
de dados entre elas.
3.2 Tipos Principais de Redes Sem Fio
Dentro dos padrões estabelecidos pelo IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers) para protocolos de comunicação em rede, está o grupo
802, que é uma seção do IEEE relacionado à rede e tecnologia de porte médio
e local. Este grupo define alguns outros subgrupos que especificam as redes
que utilizam comunicação sem fio [IEEE 802 LAN/MAN STANDARDS
COMMITTEE, 2008].
De acordo com o alcance e a taxa de transferência empregada nas
tecnologias sem fio, pode-se destacar a existência de quatro grandes grupos:
• WPAN -Wireless Personal Area Network - Neste grupo estão as tecnologias
wireless de pequeno alcance (entre 10 e 100 metros) e baixa taxa de
transmissão. É um padrão para redes que interligam dispositivos pessoais ou
redes de sensores sem fio, definido pelo IEEE 802.15. Dentre esses padrões
destacam-se o IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.15.3 (UWB) e o IEEE
802.15.4.
• WLAN - Wireless Local Area Network - Estão as tecnologias sem fio
destinadas à interligação de redes locais com alcance entre 100 e 300 metros
também conhecidas como Wi-Fi (Wireless Fidelity). Trata-se de padrão
existente como extensão ou alternativa para as redes com cabeamento
convencional Ethernet (par metálico ou fibra ótica), definido pelo IEEE 802.11x
(onde o x equivale ao tipo de rede: a, b, g, i ou n).
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
______________________________________________________________________
33
• WMAN - Wireless Metropolitan Area Network - Neste grupo temos as
tecnologias que tratam dos acessos de banda larga para última milha em redes
metropolitanas, com alcance em torno de 6 km, definida pelo padrão IEEE
802.16 (Wimax);
• WWAN - Wireless Wide Area Network - Neste grupo estão as tecnologias
voltadas para redes de longa distância em telecomunicações, atendendo aos
serviços de voz e alguns serviços de dados, definidas pelo padrão IEEE 802.20
(MBWA).
A figura 3.1 mostra alguns padrões e as suas principais características
quanto à área de alcance, taxa de transmissão e principais aplicações. Os
valores de alcance e taxa de transmissão são valores aproximados, pois
variam de fabricante para fabricante e de acordo com as condições do
ambiente onde estas tecnologias são aplicadas.
Figura 3.1 – Alcance, taxa de transmissão e principais aplicações das
redes sem fio de curto alcance
3.3 Redes de Sensores Sem Fio
Redes de sensores sem fio (RSSF) são constituídas por pequenos
sensores de baixo custo espalhados por uma área, que se comunicam por
rádio. Estes sensores servem, normalmente, para realizar algum tipo de
monitoração ou levantamento de dados.
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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Redes de sensores geralmente possuem um grande número de nós
distribuídos, têm restrições de energia, e deve possuir mecanismos para auto-
configuração e adaptação, devido a problemas como falhas de comunicação e
perda de nós. Uma RSSF tende a ser autônoma e requer um alto grau de
cooperação para executar as tarefas definidas para a rede [Loureiro et al,
2003].
Os principais componentes de uma RSSF são os nós sensores, que são
dispositivos autônomos equipados com capacidade de sensoriamento,
processamento e comunicação.
Em uma RSSF, os nós coletam dados via sensores, processam
localmente ou coordenadamente entre vizinhos, podendo enviar a informação
para o usuário ou, em geral, para um roteador. Um nó na rede tem
essencialmente tarefas diferentes: sensoriamento do ambiente, processamento
da informação e tarefas associadas com o tráfego de dados em um esquema
de retransmissão multi-saltos (multi-hop) (Loureiro et al, 2003).
Para que os nós possam se comunicar entre si, é essencial que
possuam conhecimento da rede. Cada nó precisa conhecer a identidade e
localização de seus vizinhos ou reportar-se a um nó central para executar
processamento e colaboração. Em redes planejadas, a topologia da rede é
usualmente conhecida a priori. Para redes ad-hoc, a topologia da rede tem que
ser construída dinamicamente, e atualizada periodicamente à medida que
sensores falham ou novos sensores
são adicionados.
Sensores numa RSSF podem se tornar inoperantes devido a sua
destruição física ou esgotamento da bateria. Sensores também podem ficar
incomunicáveis devido a problemas no canal de comunicação sem fio ou por
decisão de um algoritmo de gerenciamento da rede. Isso pode acontecer por
diversas razões como, por exemplo, para economizar energia ou devido à
presença de outro sensor na mesma região que já coleta o dado desejado. Por
isso, uma RSSF precisa possuir a capacidade de se adaptar a mudanças,
modificando sua organização.
Para que a RSSF de topologia centralizada (tipo Estrela) possa se
comunicar com outras redes, como, por exemplo, um sistema de supervisão, é
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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necessário um nó especial chamado coordenador. A mensagem percorre a
rede de sensores até chegar a um coordenador que irá encaminhar esta
mensagem, por uma rede como a Internet, por exemplo, até o computador do
operador.
Seja qual for a aplicação final, o estabelecimento de uma rede de
sensores envolve atividades de disposição dos nós e formação da rede. Antes
de iniciarem as atividades de sensoriamento, os nós podem realizar atividades
de descoberta de localização e/ou formação de clusters [Loureiro et al, 2003].
3.4 Características dos padrões IEEE 802.15.1 e IEEE
802.15.4
Como visto no item 3.2, as redes WPAN são redes sem fio de curta
distância, construídas com dispositivos pequenos e operando com baterias.
Diferentes áreas de aplicação para tais redes possuem requerimentos
diferentes em termos de taxa de dados, consumo de energia e qualidade de
serviço.
Para que uma comparação seja feita, faz-se necessária a descrição
desses padrões, focando as principais características e funcionalidades dos
mesmos, onde a escolha do melhor padrão, tecnologia e custo poderá ser
definida.
3.4.1 Bluetooth (IEEE 802.15.1)
O padrão IEEE 802.15.1 é derivado das especificações e perfis
(denominados profiles) do Bluetooth (versão 1.1). O Bluetooth é considerado
como uma tecnologia sem fio pioneira para ambientes de redes pessoais.
[IEEE 802.15.1, 2002].
O padrão Bluetooth foi publicado, inicialmente, pelo Bluetooth Interest
Group composto das empresas 3COM, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Microsoft,
Motorola, Nokia e Toshiba. O Bluetooth surgiu como uma solução de baixo
custo para comunicação sem fio entre computadores pessoais, telefones
móveis e outros dispositivos portáteis. O Bluetooth não é uma tecnologia
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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apropriada para uma rede local sem fio (WLAN – Wireless LAN), sendo
especificado primordialmente para redes pessoais (WPANs).
Atualmente, a tecnologia Bluetooth é usada em: conexões com
impressoras, teclados, mouses, headsets, telefones inteligentes,
eletrodomésticos, entre outros.
O padrão IEEE 802.15.1 define especificações para as camadas física
(PHY) e de controle de acesso ao meio (MAC – Medium Access Control), para
conectividade sem fio com dispositivos móveis ou fixos, dentro de um espaço
de operação pessoal (POS - Personal Operating Space).
De acordo com o padrão IEEE 802.15.1, a tecnologia Bluetooth utiliza
um enlace de rádio de curto alcance (cerca de 10 metros), otimizado para
dispositivos pessoais de pouco poder computacional.
O Bluetooth opera na faixa de freqüência aberta de 2.4 GHz ISM
(Industrial Scientific and Medical) e utiliza uma técnica chamada Espalhamento
Espectral por Saltos de Frequência (Frequency Hopping Spread Spectrum –
FHSS). Um transceptor com uma freqüência de 1600 saltos/s é usado para
combater interferências e fadiga desta faixa (i.e. reduz a probabilidade que toda
transmissão seja destruída por interferência).
Um canal com slots de duração de 625s é usado, bem como, o esquema
Time Division Duplex (TDD) a fim de habilitar comunicações full duplex, nas
camadas mais altas. No canal, a informação é trocada através de pacotes.
Cada pacote é transmitido em diferentes freqüências na seqüência de saltos
(Frequence Hopping - FH). Um pacote nominalmente dá cobertura a um único
slot, mas pode ser estendido para três ou cinco slots. Para tráfego de dados, é
possível no máximo 723,2 kbps, unidirecionalmente (assimétrico), entre dois
dispositivos. Um canal bidirecional suporta tráfego de voz a 64 kbps. O jitter
para o tráfego de voz é mantido baixo usando pequenos slots na transmissão
[IEEE 802.15.1, 2002].
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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3.4.2 LR-WPAN IEEE 802.15.4
Segundo a documentação do IEEE 802.15.4, 2003, redes WPAN de
baixo custo (Low Rate – Wireless Personal Area Network – LR-WPAN), são
redes sem fio de curta distância, construídas com dispositivos pequenos,
operando com baterias, baixa complexidade de implementação, consumo ultra
baixo de energia, e baixa taxa de transmissão, sendo assim o padrão ideal a
ser utilizado para redes de sensores sem fio (RSSF).
Alguma das características de uma LR-WPAN:
• Taxa de transmissão de dados de 250 kbps, 40 kbps e 20 kbps;
• topologia estrela e ponto-a-ponto;
• endereçamentos de 16 bits ou 64 bits;
• alocação de slots garantidos no tempo (Guaranteed Time Slots – GTS);
• acesso ao canal implementado com Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoidance (CSMA-CA);
• baixo consumo de energia, (após a transmissão, os dispositivos entram
em stand-by reduzindo, assim, o consumo de energia);
• detecção de energia (ED – Energy Detection);
• indicação da qualidade da conexão (Link Quality Indication – LQI);
• 16 canais na banda de 2,4 Ghz, 10 na banda de 915 Mhz e 1 na banda
de 868 Mhz
Após a publicação do padrão LR-WPAN IEEE 802.15.4, em 2003, houve
mais duas novas publicações: a de 2006 e a de 2007. As principais
alterações/incorporações nas características são as seguintes:
• Taxa de transmissão de dados de 250 kbps, 100 kbps, 40 kbps e 20
kbps (revisão 2006) ;
• 16 canais na banda de 2,4 Ghz, 30 na banda de 915 Mhz e 3 na banda
de 868 Mhz (revisão 2006), 16 canais em 3 bandas UWB (3 a 5 Ghz, 6
a 10 Ghz e menos de 1 Ghz) e 14 canais operando em Chirp Spread
Spectrum (CSS) a 2,4 Ghz(revisão 2007)
A maioria das aplicações que baseadas no padrão LR-WPAN IEEE
802.15.4 utilizam as características inerentes ainda à primeira versão do
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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padrão (2003), devido a alguns fatores, tais como: as características da
primeira versão do padrão atendem a maioria das especificações pretendidas
no mercado; os fabricantes dos transceptores não terem atualizado seus
padrões para a nova versão, dentre outras. A nossa implementação utilizará a
versão 2003.
Em uma rede do padrão IEEE 802.15.4, deve existir um dispositivo de
maior funcionalidade, chamado de Full-function Device (FFD), que pode operar
em três modos, servindo como coordenador da rede pessoal, um coordenador
ou um membro simples da rede. Também deve existir um dispositivo de
função reduzida (Recuced-funtion Device – RFD), ao qual pode, apenas, se
comunicar com o coordenador (FFD). Um RFD é indicado para aplicações que
sejam extremamente simples, tais como interruptores de luz ou sensores
infravermelhos passivos, que não necessitem transmitir um grande volume de
dados e que, em alguns casos, estejam associados a um único FFD.
Conseqüentemente, o RFD pode ser implementado utilizando poucos recursos
e pouca capacidade de memória.
A comunicação mais desejada é a que estejam presentes, pelo menos
um FFD coordenando um ou vários RFD em uma comunicação ponto a ponto
ou numa topologia em estrela. Mas este tipo de topologia requer que os nós
estejam no alcance de rádio uns dos outros. É por isso que o padrão 802.15.4
não pode ser utilizado isoladamente em uma rede de sensores, é necessário
também a existência de um protocolo de rede, ao qual é responsável por
garantir a entrega de mensagens para nós distantes. Como se pode observar
na figura 3.2, o padrão IEEE 802.15.4 especifica apenas as camadas física e
de controle de acesso ao meio de um sistema de comunicação. O protocolo de
rede responsável pela entrega das mensagens pertence à camada de rede.
Um dispositivo LR-WPAN compreende a camada física (PHY), que
contém o transceptor de rádio freqüência com seus mecanismos de controle, e
a camada de acesso intermediária (Médium Access Control – MAC) que
fornece o elo entre a camada física e a camada de enlace (SSCS, IEEE 802.2
LLC) realizando a transferência de dados [Campos, 2006].
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
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Figura 3.2 - Camadas de comunicação
3.4.2.1 Camada Física (PHY)
A camada física é responsável por desempenhar as tarefas abaixo
relacionadas:
• Ativação e desativação do rádio transceptor;
• medição da energia do sinal dentro do canal especificado (ED);
• LQI (Link Quality Indicator) para pacotes recebidos;
• seleção da freqüência do canal;
• CCA (Clear Channel Assessment) para CSMA-CA e
• Transmissão e recepção de dados [Campos 2006].
O protocolo 802.15.4 define na verdade dois padrões de camadas físicas
que operam dentro de faixas liberadas do espectro de freqüências (Faixa ISM -
Industrial, Scientific, Medical). O primeiro descreve a operação para duas faixas
distintas de operação: 868 e 915 MHz que operam com 1 e 10 canais,
respectivamente. Este padrão é estabelecido para a América do Norte,
Austrália, Nova Zelândia e Europa. O segundo padrão, que é definido para os
países restantes, opera na faixa de 2,4GHz (EADY, 2007).
A tabela 3.1 mostra um sumário com as principais características do
IEEE 802.15.4 no que se refere à Modulação.
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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Tabela 3.1 – Parâmetros da camada PHY
A distância máxima entre um ponto de transmissão e um ponto de
recepção está na faixa de 10 à 75 metros, dependendo da potência dos
equipamentos e das configurações de layout do ambiente onde se encontra a
rede (EADY, 2007).
Este padrão utiliza a técnica de modulação de transmissão denominada
DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum), que permite a simplicidade e o
baixo custo dos dispositivos da rede. A camada PHY é constituída de três
interfaces: RF-SAP (Radio Frequency – Service Access Point), PD-SAP (PHY
Data - Service Access Point) e PLME-SAP (PHY Layer Management Entity –
Service Access Point).
O RF-SAP faz a interface tanto em nível físico (hardware) como em nível
lógico. É ali onde se faz a comunicação direta com os dispositivos de RF. Já o
PD-SAP e PLME-SAP, puramente lógicos, provêm dados e gerenciamento de
acesso aos serviços entre as camadas MAC e PHY. O PLME também mantém
um banco de dados de objetos gerenciados pelo PHY chamado PHY PIB (PHY
PAN Information Base) (IEEE 802.15.4, 2003).
Um modelo de referência da camada PHY com todos os SAPs
associados estão na figura 3.3.
Figura 3.3 – SAPs da camada física (IEEE 802.15.4, 2003)
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
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O pacote de transmissão do padrão 802.15.4 que é recebido pela
primeira camada pode conter um máximo de 127 bytes, onde um byte
representa o tamanho do pacote. Dos 127 bytes, seis deles são reservados
exclusivamente para a camada PHY, os quais são os bytes de SHR
Synchronization Header), que definem o cabeçalho e o delimitador de início do
frame e os bytes de PHR (PHY Header), que contêm o tamanho do frame,
como mostrado na Figura 2.5 (IEEE 802.15.4, 2006).
Figura 3.4 – formato de transmissão dos pacotes na camada física
(EADY, 2007)
3.4.2.1.1 Numeração dos canais e coexistência com outras
redes wireless
Como visto anteriormente, dependendo da faixa de freqüência utilizada,
teremos uma quantidade maior ou menor de canais onde poderá ser realizada
a comunicação entre os dispositivos da rede. A freqüência central de cada
canal é calculada de acordo com a equação 3.1.
A partir deste ponto será dada ênfase à faixa de freqüência objeto deste
estudo (2,4GHz).
Baseado na equação acima, fazendo a variável k variar de 11 até 26,
obtêm-se as 16 freqüências centrais (Fc) relacionadas a cada canal. De acordo
com IEEE 802.15.4 (2003), a banda passante destes canais é definida em
2MHz e o espaçamento entre cada Fc de 5MHz, conforme pode ser visto na
Figura 3.5 [Campos 2006].
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
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Figura 3.5 – Canais do padrão IEEE 802.15.4
No sentido de garantir a coexistência entre as redes LR-WPAN (IEEE
802.15.4) e as redes Wi-Fi IEEE 802.11b/g, sugere-se a adoção dos canais 15,
20, 25 e 26 para as redes LR-WPAN, pois esses canais não são utilizados nas
redes Wi-Fi [Petersen et. al.] (figura 3.6). As redes IEEE 802.11b/g podem
trabalhar, também, na faixa dos 5 Ghz onde, nesta, não interferem no LR-
WPAN.
Figura 3.6 – Comparação entre os canais das redes Wi-Fi IEEE 802.11b/g e
LR-WPAN (Petersen, 2007)
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
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3.4.2.2 Camada MAC
A camada de controle de acesso ao meio – MAC - provê mecanismos de
acesso ao canal e é responsável pela comunicação ponto a ponto entre os nós.
Numa rede IEEE 802.15.4, um dispositivo de controle central (FFD) constrói
uma rede com os dispositivos vizinhos em uma topologia estrela ou ponto a
ponto. Outras topologias podem ser construídas nas camadas superiores do
protocolo, mas não são definidas pelo IEEE 802.15.4.
A camada MAC pode utilizar sinalizadores para coordenar a
comunicação entre os nós. Em redes com sinalizadores, o tempo do canal é
dividido em superframes, que são ligados por transmissões de sinalizadores
pelo coordenador. O superframe é dividido em uma parte ativa e uma inativa,
toda a comunicação é feita na parte ativa, e durante a parte inativa, os nós
podem entrar no modo de economia de energia ou tratar de outras atividades.
A parte ativa do superframe é dividida em slots de mesmo tamanho e o
sinalizador é transmitido no slot zero. Nós individuais acessam o canal
utilizando o algoritmo CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision
Detection) para se comunicar com a camada PHY. Os mecanismos de
comunicação entre MAC e APL podem ser através de dois grupos distintos de
serviços: Management Service (MAC Layer Management Entity - MLME) e
Data Service (MAC Common Part Layer, ou MCPS). O MLME gerencia todos
os comandos, respostas, indicações e confirmações usadas para gerenciar
uma PAN e uma unidade 802.15.4. Já o grupo MCPS trata os comandos
relacionados aos dados como requisição de dados, indicação de dados e
confirmação de dados (ATMEL, 2006).
Em resumo, esta camada é destinada a formatar as mensagens
recebidas pela camada física e chamar a função apropriada entre MCPS e
MLME para processar o conteúdo da mensagem e enviá-la à camada de rede.
Através destas funções, pode-se descrever o fluxo de informações que é
transmitido entre as camadas de aplicação e de rede.
Os serviços que esta camada oferece estão abaixo relacionados:
• Geração de pacotes de beacons, caso o dispositivo seja um
coordenador da rede em redes cluster tree (item 3.4.2.4.3);
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
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• gerenciamento e manutenção do mecanismo GTS - Guarantee Time
Slots;
• sincronização da rede (através dos beacons);
• utilização do CSMA-CA para o acesso dos canais;
• fornecer um link confiável entre duas entidades MAC;
• suporte para a segurança da rede;
• suporte à associação e dissociação dos dispositivos na PAN [Campos,
2006].
Um modelo de referência da camada MAC, com todos os SAPs
associados, está mostrado na Figura 3.7.
Figura 3.7 - SAPs da camada MAC (IEEE 802.15.4, 2003)
3.4.2.3 Taxa de Transmissão de Dados
Como uma RSSF em muitas aplicações pode enviar apenas alguns bits
por hora, aparentemente, a especificação da velocidade de transmissão pode
parecer irrelevante, uma vez que qualquer taxa será grande o suficiente para
atingir os requisitos de uma rede de sensores. Entretanto, o desempenho
crítico de uma rede de sensores não é a quantidade de dados transmitidos,
mas a integridade dos dados e o consumo de energia. No caso do consumo de
energia, a taxa de transmissão pode ter um efeito significativo. Uma taxa de
transmissão mais alta significa menor tempo com o transmissor ligado para o
envio de uma mensagem. Entretanto, o alcance da rede é fortemente
determinado pela taxa de transmissão. Portanto, este aspecto deve ser
considerado como um limitador para a máxima taxa de transmissão.
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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Apesar da taxa de transmissão do padrão IEEE 802.15.4 ser elevada
(até 2,4 Ghz – IEEE 802.15.4 2003), o período ativo (aquele onde a
transmissão é permitida) é pequeno, limitando a taxa de transmissão final de
dados a 250 kbps [MISIC et al, 2006].
3.4.2.4 Criando uma rede baseada em Beacons
Em uma rede que não implementa beacons, não existe sincronização
entre os dispositivos da RSSF (transmissão assíncrona). Os dispositivos
acessam o canal utilizando o mecanismo de detecção de colisão CSMA/CA
(item 3.4.2.6).
No início da comunicação de uma rede baseada em beacons, a
aplicação instrui a camada MAC a enviar pacotes especiais em intervalos
regulares. Os pacotes (quadro de beacons) não são endereçados a nenhum
dispositivo em particular, isto é, eles são propagados para todos os dispositivos
que estejam “escutando” a rede. Um dispositivo que é sincronizado a um
coordenador de beacon liga seu receptor no tempo em que um quadro de
beacon é esperado. No lado do coordenador, a única mudança requerida é a
alteração de valores da ordem do beacon e na ordem do super-quadro. O
intervalo do beacon é determinado pela ordem do beacon e calculado conforme
visto na equação 3.2:
(960 · (2BO) · 16) / 1000000 segundos (aproximadamente (2BO)/65.1 segundos) (3.2)
Onde BO significa a ordem do beacon (Beacon Order).
A ordem do super-quadro é a duração do período ativo após o quadro do
beacon. Se a ordem do super-quadro é a mesma da ordem do beacon, o
período ativo aumenta para todo o intervalo do beacon.
A figura 3.8 ilustra dados seriais transmitidos entre os dispositivos
escravos e o coordenador da rede PAN, utilizando beacons [802.15.4 Media
Access Controller (MAC) MyWirelessApp User’s Guide – Freescale, 2008].
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
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Figura 3.8 – Transmissão serial de dados utilizando beacons (Freescale, 2008).
A RSSF alvo deste estudo não implementa beacon, devido aos
seguintes motivos:
• os intervalos de comunicação entre alguns transceptores e o
coordenador são feitos em tempos diferentes;
• facilidade de identificação do transceptor inserido/retirado da rede;
• diminuto tamanho da aplicação e;
• protocolo utilizado (Freescale SMAC) não permite aplicações
baseadas em beacon.
Independentemente destes motivos, o algoritmo permite futuras
implementações com beacon, desde que sejam nele realizadas as alterações
necessárias ao seu funcionamento.
3.4.2.5 Topologias
Segundo a documentação do padrão IEEE 802.15.4, 2003, dependendo
do tipo de aplicação, o padrão LR-WPAN pode operar em duas topologias:
estrela e ponto-a-ponto. Elas são mostradas na figura 3.9.
Figura 3.9 – Topologias do padrão IEEE 802.15.4 (IEEE 802.15.4, 2003)
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3.4.2.5.1 Topologia Estrela
Conforme visto na figura 3.9, depois de um FFD ser ativado, ele
estabelece sua própria rede e se torna um coordenador da rede PAN. A
topologia estrela opera independentemente de todas as outras topologias
estrelas que estejam em operação ao seu redor. Isto ocorre pela escolha de
um identificador da rede PAN que não esteja sendo atualmente utilizado por
nenhuma outra rede de mesma topologia, no raio de abrangência da mesma.
Uma vez que o identificador PAN é escolhido, o coordenador da rede PAN
permite que outros dispositivos façam parte desta rede, aos quais poderemos
chamar de escravos, e que podem ser tanto FFDs quanto RFDs [IEEE
802.15.4, 2003].
3.4.2.5.2 Topologia Ponto-a-ponto
Na topologia ponto-a-ponto, cada dispositivo é capaz de comunicar-se
uns com os outros dentro do raio de abrangência da rede. Um dispositivo é
nomeado como coordenador da rede PAN, em virtude de ser o primeiro
dispositivo a comunicar-se no canal [IEEE 802.15.4, 2003].
3.4.2.5.3 Topologia Cluster tree
A topologia de rede cluster tree é derivada da comunicação ponto-a-
ponto. Na rede cluster tree vários dispositivos são FFDs. Um RFD conecta-se
a rede como um dispositivo escravo, no fim do ramo, pois os RFDs não
permitem outros dispositivos se associarem a ele. Qualquer um dos FFDs
pode agir como um coordenador e prover serviços de sincronização com outros
dispositivos ou outros coordenadores. Apenas um desses coordenadores pode
ser o coordenador da rede PAN principal, ao qual tem mais recursos
computacionais do que qualquer outro dispositivo desta rede. O coordenador
da rede PAN forma o primeiro cluster através da escolha de um identificador da
rede que não esteja sendo usado e propaga quadros de beacon aos
dispositivos vizinhos. Um mecanismo de contenção é requerido se dois ou
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
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mais FFDs simultaneamente desejarem ser, eles mesmos, os coordenadores
da rede PAN. Um dispositivo candidato recebendo um quadro de beacon pode
desejar se associar a esta rede. Se o coordenador da rede PAN permitir, ele
adiciona o novo dispositivo como dispositivo filho na lista de vizinhos. Então, o
novo dispositivo, adiciona o coordenador da rede com seu pai na lista de
vizinhos e começa a transmitir beacons periódicos; outros dispositivos
candidatos podem, então, se associarem a rede através daquele dispositivo.
Se o dispositivo candidato original não estiver disponível a se associar à rede
através do coordenador, ele procurará por outro dispositivo pai.
Essa topologia permite a criação de malhas de redes cluster tree. Uma
vez que os requerimentos da rede para determinada aplicação são conhecidos,
o primeiro coordenador irá instruir um dispositivo a se tornar o coordenador de
um novo cluster adjacente ao primeiro. Outros dispositivos gradualmente se
conectarão e formarão uma estrutura de rede multicluster, conforme visto na
figura 3.10. As linhas da figura representam os relacionamentos pai-filho dos
dispositivos e não o fluxo de comunicação. A vantagem da estrutura
multicluster é o aumento substancial da área de cobertura, enquanto sua
desvantagem é o incremento do tempo de latência na rede.
Figura 3.10 – Topologia de rede cluster tree (IEEE 802.15.4, 2003)
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
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3.4.2.6 Mecanismo de detecção de erro CSMA-CA
O CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) é
um protocolo de acesso ao meio que funciona basicamente da seguinte
maneira:
• Quando um dispositivo deseja iniciar uma transmissão, ele inicialmente
"escuta" o meio para determinar se alguma transmissão já está ocupando
aquele canal, caso contrário ele transmitirá seus dados;
• caso dois dispositivos "escutem" o meio simultaneamente e não
percebam a presença de portadoras pode haver a transmissão de pacotes em
ambos os dispositivos e, assim, pode haver uma colisão de pacotes, uma vez
que os transmissores não detectam colisões;
• os receptores, por sua vez, não conseguem distinguir colisões de outras
pacotes de erros, confiando-se apenas na habilidade dos módulos de
comunicação em detectar e tratar pacotes corrompidos através de algum
mecanismo de correção de erros (figura 3.11).
ESTAÇÃO
ATIVA
NÃO ATRASO
ALEATÓRIO
SIM
TRANSMITE
COLISÃO
?
NÃO
SIM
RETRANS-
MISSÃO
MEIO
LIVRE
?
FIM
Figura 3.11 – Algoritmo CSMA/CA
No protocolo CSMA-CA, cada nó deverá informar aos outros nós
participantes da rede a sua intenção em iniciar uma transmissão; ou seja, antes
de transmitir um pacote, o nó transmissor notifica os outros componentes da
rede que iniciará uma transmissão evitando as colisões. Entretanto, ainda pode
haver colisões, só que as conseqüências são minimizadas com relação ao
CSMA puro [Campos, 2006].
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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50
3.4.2.7 Limitações do Padrão IEEE 802.15.4
De acordo com Pekhteryev et al. (2005), apesar de, na maior taxa de
transferência existente no padrão IEEE 802.15.4, que é a de 250Kpbs, a
camada física suporta apenas a transferência de pequenos pacotes limitados
em 127 Bytes. Além disso, devido à capacidade da rede, as camadas PHY e
MAC não devem trafegar dados com pacotes superiores a 89 bytes [Campos,
2006]. Em aplicações, como a transferência de áudio e vídeo, isto pode
representar um problema, entretanto o objeto deste estudo concentra-se na
transferência de dados e não de conteúdo multimídia, portanto, tal limitação
não será considerada em nossa implementação.
3.4.3 Zigbee (IEEE 802.15.4)
O protocolo de comunicação Zigbee é baseado no padrão IEEE
802.15.4, o qual define as camadas MAC e PHY deste e foi ratificado em
dezembro de 2004 [Zigbee Specification, 2008].
O nome ZigBee foi criado a partir da analogia entre o funcionamento de
uma rede em malha e o modo como as abelhas trabalham e se locomovem. As
abelhas que vivem em colméia voam em zig-zag, e dessa forma, durante um
vôo a trabalho em busca de néctar, trocam informações com outros membros
da colméia sobre distância, direção e localização de onde encontrar alimentos.
Uma Malha ZigBee dispõe de vários caminhos possíveis entre cada nó da rede
para a passagem da informação, assim, é possível eliminar falhas se um nó
estiver inoperante, simplesmente mudando o percurso da informação
[Rogercom, 2008].
No ano de 2002, algumas empresas uniram-se com intuito de pesquisar
e desenvolver as camadas de rede, segurança e aplicação baseadas no
padrão IEEE 802.15.4 a qual denominou-se Zigbee Alliance. Atualmente, esse
consórcio conta, com as seguintes empresas:
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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51
• Cell Hunt
• Ember
• Freescale
• Honeywell
• Huawei
• Itron
• Mitsubishi Electric
• Motorola
• Philips
• Samsung
• Schneider Electric
• Siemens
• ST
• Tendril
• Texas Instruments
Além das empresas acima citadas, um pool de outras empresas e
usuários comuns, que participam, direta ou indiretamente, opinando ou
desenvolvendo novas aplicações para o protocolo fazem parte do Zigbee
Alliance.
O protocolo Zigbee surgiu com o intuito de oferecer requisitos adicionais
de segurança e expandir as características do padrão IEEE 802.15.4 [Zigbee
Spectfications, 2008].
A figura 3.12 mostra a pilha de protocolos do Zigbee.
Figura 3.12 – pilha de protocolos do Zigbee (Zigbee Specification, 2008).
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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52
A pilha de protocolos do Zigbee é formada por um conjunto de blocos
chamados camadas. Cada camada suporta um conjunto específico de
serviços para a camada acima dela. Uma entidade de dados provê um serviço
de transmissão de dados e uma entidade de gerenciamento provê todos os
outros serviços. A camada de aplicação é de desenvolvimento do usuário
(livre), porém a camada entre a camada MAC e a camada de aplicação, apesar
de ser aberta, é proprietária do protocolo, conhecida como Z-STACK (Zigbee
Stack), ou seja, a indústria que desejar incorporar o protocolo Zigbee ao seu
hardware deverá pagar royalties à aliança.
Cada entidade de serviço expõe uma interface para a camada superior,
através de um ponto de acesso ao serviço (SAP – Service Access Point) e
cada SAP suporta um número de primitivas de serviço para atingir a
funcionalidade desejada.
O Zigbee Alliance implementou a camada de rede (NWK – Network) e a
estrutura da camada de aplicação. A estrutura da camada de aplicação
consiste da subcamada de suporte a aplicação (APS – Application Suport) e os
objetos de dispositivos Zigbee (ZDO – Zigbee Device Objects).
A implementação da segurança do protocolo Zigbee se situa entre as
camadas de rede (NWK) e de suporte a aplicação (APS), compartilhando seus
serviços com a ZDO [Zigbee Specifications, 2008].
3.4.3.1 Topologias do protocolo Zigbee
A camada de rede (NWK) do Zigbee suporta, além das topologias
padrão do IEEE 802.15.4 (ponto-a-ponto, estrela e cluster-tree), a topologia
mesh. Nas topologias padrão, o arranjo lógico e físico, bem como a forma de
comunicação seguem os mesmos procedimentos descritos nos ítens 3.4.2.5.1
a 3.4.2.5.3.
Na topologia Mesh a comunicação entre os dispositivos ocorre
totalmente ponto-a-ponto. Conforme visto na figura 3.13, a comunicação dos
dispositivos com o coordenador Zigbee se dá através da inserção de um novo
dispositivo, chamado de roteador. Os roteadores são responsáveis por permitir
a expansibilidade desta rede a incríveis 65.000 unidades, rompendo a barreira
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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53
dos 256 dispositivos permitidos no padrão IEEE 802.15.4. Este tipo de
topologia é indicado para aplicações onde a expansibilidade da rede é fator
crucial para sua existência, ex: comunicação entre unidades de elevação de
petróleo em um campo aberto [Zigbee Specifications, 2008].
Figura 3.13 – Topologia Mesh (Zigbee Specification, 2008)
3.4.4 FREESCALE SMAC
O protocolo de comunicação Simple Media Access Controller (SMAC) foi
desenvolvido pela Freescale para oferecer primitivas e diretivas de
programação, baseado na linguagem C ANSI a partir da camada MAC do
padrão IEEE 802.15.4. Este protocolo é proprietário, mas de arquitetura
aberta, podendo ser utilizado em qualquer transceptor baseado no padrão
IEEE 802.15.4. O SMAC foi construído para trabalhar com processadores da
Freescale. A Freescale oferece o ambiente de desenvolvimento, grátis em sua
versão básica (SE – Standard Edition) e a versão completa (BeeKit), paga, que
trabalha com o protocolo Zigbee.
Características e funcionalidades são herdadas do padrão IEEE
802.15.4.
Abaixo relacionadas, estão algumas características do SMAC
consideradas de maior relevância para o estudo em questão.
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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1. Aspectos compactos:
- 2K de memória Flash
- Clock do barramento de no mínimo 16KHz
- 10 bytes (+ máximo do tamanho do pacote) de memória RAM
2. Baixo consumo, software proprietário e link de comunicação RF bidirecional;
3. Baixa prioridade de interrupções - IRQ;
4. Recursos para a transferência de pacotes:
- Até 123 bytes de dados em um simples pacote;
- Algoritmo de correção de erros automático (FCS - Frame Check
Sequence);
5. Período automático de transição entre estados automática - Sleep para o
Wakeup;
6. No protocolo SMAC a Freescale adicionou dois bytes de código (Code
Bytes) em cada pacote enviado, de maneira a evitar interferências de outros
protocolos SMAC;
3.4.4.1 Estrutura do Pacote
A estrutura do pacote no protocolo SMAC é composta por quatro bytes
do preâmbulo (Preamble), um byte de delimitador de início de quadro (Start
Frame Delimiter - SFD), um byte de indicador de tamanho do quadro (Frame
Length Indicator - FLI), até 125 bytes do quadro de dados (Payload Data) e
dois bytes do quadro de checagem de erros (Frame Check Sequence - FCS),
como mostra a Figura 3.14.
Figura 3.14 – Estrutura do pacote (Simple Media Access Controller User’s
Guide – Freescale, 2008)
A estrutura do protocolo SMAC permite, no quadro de dados, até 125
bytes, entretanto, destes, a solução proprietária da Freescale reserva o quadro
Code Bytes com dois bytes, para prevenir interferências do/para SMAC com
relação à outros protocolos similares [Simple Media Access Controller User’s
Guide – Freescale, 2008].
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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3.4.4.2 Algoritmo de Checagem de Erros
A sub-camada MAC dispõe de vários mecanismos para garantir a
confiabilidade do link entre dois dispositivos de uma rede LR-WPAN 802.15.4,
entre eles pode-se citar a verificação de erros através do algoritmo CRC -
Cyclic Redundancy Code de 16 bits.
3.4.4.3 Primitivas e Estruturas do SMAC
Existem dois tipos de serviços que são manipuláveis pelo usuário para
desenvolver projetos baseados na camada MAC, que são: MCPS e o MLME.
No SMAC há dezenove primitivas, das quais duas relacionadas ao
serviço MCPS e dezessete ao MLME, como mostra a Tabela 3.2.
O protocolo SMAC possui duas estruturas de dados que podem ser
manipuladas pelas camadas superiores que são:
• tTxPacket
u8DataLength - Tamanho da mensagem a ser transmitida;
*pudata - Estrutura que contém os dados
• tRxPacket
u8MaxDataLength - Tamanho máximo do pacote;
u8DataLength - Tamanho do pacote dos dados recebidos;
*pu8Data - Dados recebidos;
u8status - Estado da mensagem recebida
De acordo com IEEE Standard (802.2-1998), o tTxPacket define as
variáveis que serão transmitidas pelo SMAC, e o tRxPacket define as variáveis
que serão recebidas pelo protocolo.
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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56
Tabela 3.2: SMAC API (Freescale, 2008).
As primitivas MCPS são utilizadas para tratar e manipular os dados
recebidos pelo protocolo, enquanto que as do tipo MLME são usadas para
gerenciar o estado da comunicação, como por exemplo; a energia do canal
ativo, o estado do link(LQI) e o modo de operação em que se encontra o
transceptor. [Simple Media Access Controller User’s Guide – Freescale, 2008].
3.5 Comparações entre os padrões IEEE 802.15.1 e
IEEE 802.15.4
De posse das informações de cada um dos padrões, a comparação
entre eles se baseia em características desejáveis em toda rede sem fio, que
se seguem:
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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• Alcance: O padrão IEEE 802.15.4 oferece melhor alcance, inclusive,
quando a topologia Cluster-tree ou Mesh (proprietária do Zigbee) é
implementada, pois permite a expansão da rede.
• Taxa de transmissão de dados: o Bluetooth (IEEE 802.15.1) oferece
clara vantagem em relação aos protocolos baseados no IEEE 802.15.1 pois,
com uma maior taxa de transmissão, implementações como áudio e vídeo se
tornam possíveis. Mas como em aplicações com RSSF não há um grande
volume de dados trafegando no meio físico de comunicação, o padrão IEEE
802.15.4 torna-se perfeitamente viável.
• Latência: Para garantir uma melhor economia de energia e, ao mesmo
tempo, evitar que a latência da rede seja alta, os dispositivos devem estar
aptos a hibernarem por longos períodos de tempo e acordar rapidamente,
transmitir ou receber e voltar a hibernar. O Bluetooth é desenvolvido para
comunicação simples fim-a-fim entre dispositivos e não possui a característica
de hibernação, além de ter um tempo de latência muito alto, se comparado ao
IEEE 802.15.4, que possui baixa latência e implementa mecanismos que
permitem a hibernação e rápida ativação, quando necessário.
• Economia de energia: Enquanto o Bluetooth foi projetado para sempre
estar “acordado”, pronto a identificar ou ser identificado por dispositivos
presentes na rede, o IEEE 802.15.4 disponibiliza mecanismos que permitem
que o mesmo passe longos períodos em stand-by, tornando possível grande
economia da energia que alimenta o dispositivo.
• Segurança: Ambos os padrões oferecem mecanismos de segurança na
transmissão dos dados. O Bluetooth implementa encriptação em 64 ou 128
bits baseadas em algoritmos para autenticação e geração de chaves. O IEEE
802.15.4 utiliza a encriptação AES (Advanced Encryption Standard) e também
permite que o próprio usuário crie ou utilize outras formas de segurança, via
camada de rede.
• Freqüência de operação: O padrão IEEE 802.15.4 suporta várias faixas
de freqüências abertas, enquanto o Bluetooth opera apenas na banda de 2,4
Ghz.
• Complexidade de implementação: Devido a pouca oferta de dispositivos
permitidos em cada rede, além de ser um padrão estritamente proprietário, o
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
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Bluetooth se torna mais complexo de implementar, enquanto que o IEEE
802.15.4 permite total flexibilidade de implementação já que, a partir da
camada MAC, é o próprio usuário que cria ou se utiliza dos protocolos de
comunicação já existentes, além de que o número de dispositivos por rede
pode chegar a 65.000, no caso do Zigbee.
• Topologias de rede e número de dispositivos: A possibilidade de
expansão oferecida pelo IEEE 802.15.4 (topologias cluster tree e mesh -
Zigbee) sugere que esse padrão oferece muito mais capacidade de utilização
na indústria.
• Escalabilidade/Expansibilidade: O padrão IEEE 802.15.4 oferece
significante vantagem em termos do crescimento da rede, oferecendo larga
escala de utilização e facilidade de uso das topologias flexíveis, preparadas à
situações do mundo real.
• Flexibilidade: Em teoria, ambos os padrões são flexíveis e podem
suportar qualquer tipo de dados (a revisão 2007 do IEEE 802.15.4 permite a
utilização de UWB, tornando o padrão possível de receber voz e vídeo), na
prática, a extrema característica proprietária do Bluetooth torna sua utilização
inflexível, o que sugere que o IEEE 802.15.4 é mais flexível para aplicações
industriais, principalmente no tocante a RSSF [Backer, 2005].
A tabela 3.3 sumariza a comparação entre os dois padrões.
Tabela 3.3 – Tabela comparativo entre Bluetooth e IEEE 802.15.4
Aspectos Bluetooth IEEE 802.15.4
Consumo de bateria Dias Anos (com hibernação ativada)
Complexidade Média Muito baixa
Quantidade de dispositivos 7 256 a 65.000 (Zigbee)
Alcance ~10m 70-300m
Taxa de transmissão 1Mbps 250Kbs
Custo Médio De médio a muito baixo
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
______________________________________________________________________
59
3.6 Comparações entre os protocolos Zigbee e
Freescale SMAC
Pelo que já foi exposto ao longo deste capítulo, podemos chegar as
seguintes comparações entre os principais protocolos industrialmente utilizados
atualmente, baseados no padrão IEEE 802.15.4:
• Zigbee – Através da grande divulgação deste protocolo, as indústrias
que necessitavam de aplicações baseadas em RSSF começaram a utilizá-lo,
bem como outros protocolos, baseados no padrão IEEE 802.15.4. Por ser um
protocolo proprietário, sua utilização pode sair mais cara, pois o usuário arcará
com os royalties que a empresa fabricante dos dispositivos transferirá ao preço
final do produto adquirido. Sua programação é mais complexa, cuja
implementação justifica-se em casos aonde a rede de sensores sem fio atinja
grandes proporções (topologia mesh) e que os nós da rede necessitem ser
removidos e/ou adicionados periodicamente.
• Freescale SMAC – Possui características onde a camada MAC do
padrão IEEE 802.15.4 é substituída pela camada proprietária da Freescale,
conhecida como SMAC. Aspectos negativos são: restrição do número de
diretivas a dezenove; não implementar beacons e; ser um protocolo
proprietário. Em contrapartida, Aspectos positivos desta topologia são:
programação e implementação simplificada, sendo indicado para RSSF de
pequeno porte, onde a topologia física estrela torna-se uma alternativa
bastante viável; firmware dos transceptores ocupando pouco espaço na
memória flash do dispositivo.
A tabela 3.4 sumariza a comparação entre os três principais protocolos
vistos acima.
CAPÍTULO 3. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO: ESTUDO E
COMPARAÇÕES DOS PADRÕES IEEE 802.15.1 E IEEE 802.15.4
______________________________________________________________________
60
Tabela 3.4 – Comparação entre os principais protocolos WPAN
Aspectos LR-WPAN
IEEE
802.15.4
SMAC Zigbee
Complexidade Muito baixa Muito baixa Baixa
Quantidade de dispositivos 256 256 65.000
Alcance ~100m ~100m ~300m
Custo Muito baixo Muito baixo Baixo
Topologias Ponto-a-ponto
e estrela
Ponto-a-ponto e
estrela
Ponto-a-ponto,
estrela e mesh
Protocolo proprietário? Não Sim (camadas
MAC e de
Rede)
Sim (camada de
rede)
______________________________________________________________________
Capítulo 4
Software de Comunicação da RSSF
Este capítulo inicia comentando aspectos que garantem a qualidade de
um bom software. Na seqüência, ilustra o diagrama de blocos da RSSF
proposta e sua aplicabilidade na planta estudada. Após isto, é apresentada a
plataforma de desenvolvimento da rede de sensores e, por fim, o software de
gerenciamento da transmissão e recepção dos dados descrevendo, em
detalhes, o seu desenvolvimento e aplicação no protótipo da rede de sensores
sem fio, com fins de utilização nas unidades de elevação Plunger Lift.
4.1 Qualidade de Software
Segundo a norma ISO/IEC 9126-1 (1997), são seis, as características
que descrevem a qualidade de software. Tais características são aplicáveis a
qualquer tipo de software. Esta norma aplica-se as áreas de aquisição,
desenvolvimento, uso, avaliação, suporte, manutenção ou auditoria de
software. Suas definições podem ser vistas na tabela 4.1.
Tabela 4.1: Características da Qualidade de Software (ISO/IEC 9126-1)
CARACTERÍSTICAS DESCRIÇÃO
Funcionalidade Evidencia que o conjunto de funções atende às necessidades
explícitas e implícitas para a finalidade a que se destina o produto.
Confiabilidade Evidencia que o desempenho se mantém ao longo do tempo e em
condições estabelecidas.
Usabilidade Evidencia a facilidade para a utilização do software.
Eficiência Evidencia que os recursos e os tempos envolvidos são compatíveis
com o nível de desempenho requerido para o produto.
Manutenibilidade Evidencia que há facilidade para correções, atualizações e alterações.
Portabilidade Evidencia que é possível utilizar o produto em diversas plataformas
com pequeno esforço de adaptação
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 62
______________________________________________________________________
O software desenvolvido para a RSSF proposta, dividido em firmwares e
interface de monitoramento (supervisório), seguem essas normas, as quais
serão comprovadas na etapa de testes (capítulo 5).
4.2 Diagrama de Blocos da RSSF
O diagrama de blocos da Figura 4.1, ilustra os módulos utilizados neste
estudo.
Figura 4.1: Diagrama de blocos do sistema de instrumentação proposto.
O diagrama acima ilustra os módulos que compõem o sistema da RSSF
proposta. Na configuração proposta para o método de elevação de petróleo
em questão, os sensores e atuadores não mais estarão ligados ao CLP por
meio de fios ou dutos capilares e sim através de uma rede de sensores sem fio
(RSSF), onde utilizamos transceptores (chamados “escravos”) em conjunto
com cada sensor/atuador comunicando-se, sem fio, com outro transceptor (que
chamado “mestre”) ao qual se encontra conectado ao CLP pela porta serial RS-
232 e montado no interior de sua carenagem. Essa configuração mostra-se
como solução viável, desde que observados aspectos de confiabilidade e
segurança na transmissão e recepção dos sinais de rádio freqüência. Os
sensores e atuadores passarão a ser alimentados pelas baterias do módulo de
Unidade de Controle
(Microprocessador)
Conversor
A/D
Unidade de
Rádio
(Transceptor)
Sensor(↑) ou Atuador (↓)
Unidade de Controle
(Microprocessador)
Porta Serial
RS-232
Unidade de
Rádio
(Transceptor)
ou
Software de Monitoramento
Fonte
de
energia
(
bateria)
Antena
Antena
Sistema de comunicação
sem fio – placa escrava
Sistema de comunicação
sem fio – placa mestre
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 63
______________________________________________________________________
comunicação sem fio, podendo possuir uma fonte de energia alternativa para
seu carregamento, tal como célula fotovoltaica, caso necessário, conforme
observado na figura 4.2. Nesta figura, a caixa que acondiciona o sensor, a
bateria e o transceptor deve ser a prova de explosões, visto que a planta se
encontra em uma área classificada.
Figura 4.2 – Caixa de acondicionamento do módulo de sensoriamento
Na planta, as válvulas pneumática (Motor Valve) e eletro pneumática
possuirão uma caixa com: a válvula solenóide (que ficava junto ao CLP), o
módulo de comunicação sem fio, baterias e fotocélula (esta última objeto de
estudos posteriores). A partir daí o tubo capilar irá sair da linha de injeção de
gás, passar pela válvula solenóide que se encontra agora na caixa à prova de
explosões junto ao atuador e ir direto para o atuador, tornando o poço
totalmente independente, fisicamente, do CLP (Figura 4.3).
Figura 4.3 – Caixa de acondicionamento do módulo de acionamento das
válvulas pneumáticas
4.3 Sensores e atuadores
Os sensores instalados em sistemas de elevação de petróleo e gás
natural do método assistido Plunger Lift são: três sensores analógicos de
pressão, um sensor magnético de presença do pistão à superfície, um medidor
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 64
______________________________________________________________________
de vazão, uma Motor Valve (uma válvula pneumática on/off) e uma válvula
analógica eletro-pneumática de injeção de gás, perfazendo o total de cinco
sensores e dois atuadores (Figura 4.4).
Figura 4.4 – Localização dos sensores e atuadores no Plunger Lift assistido
4.4 Plataforma de Desenvolvimento
Como plataforma de testes, foi utilizado o kit da Freescale MC13193-
EVK. A RSSF foi montada a partir de três placas 13192-EVB (uma como
“coordenador” e as outras duas como “escravos”), conforme ilustra a Figura
4.5. Vale salientar que as placas descritas possuem chaves, conversores A/D
e D/A. São placas indicadas, apenas, para testes. Em aplicações industriais
alguns itens não são necessários, tornado a aquisição do transceptor bem mais
barata ($ 4.0, segundo o fabricante).
Figura 4.5: Placas da rede Wireless.
A linguagem utilizada para a programação e desenvolvimento dos
softwares que fazem parte da RSSF foi o ANSI C. O ambiente de
desenvolvimento utilizado foi o Code Warior Development Studio v.5.7.0
conforme ilustra a Figura 4.6.
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 65
______________________________________________________________________
A interface utilizada para carregar os softwares nas memórias flash das
placas sem fio, convertendo-as em firmwares, foi o BDM USB Multilink sendo
que esta se conectou ao PC através da porta USB e às placas através de um
cabo tipo flat.
Figura 4.6: Interface de desenvolvimento dos firmwares.
4.4.1 Transceptor MC13192
Os transceptores MC13192 são fabricados especialmente para
trabalhar a curtas distâncias, com baixo consumo e na faixa de freqüência não
licenciada de 2,4GHz ISM. Eles contêm a camada física e MAC do padrão
IEEE 802.15.4 e trabalham em conjunto com microcontroladores da família
HCS08. As topologias de rede permitidas são: Ponto a ponto, estrela e mesh
(esta última para o protocolo Zigbee, com Beekit, adquirido à parte).
Quando combinados com um microcontrolador apropriado o
transceptor MC1319x fornece uma solução de baixo custo para curtas
distâncias. A interface que realiza a comunicação entre o MCU e o MC1319x é
o módulo SPI-Serial Peripheral Interface, além de uma via de interrupções que
permite ao usuário uma variedade de processadores [Simple Media Access
Controller User’s Guide – Freescale, 2008].
O transceptor MC13192 suporta uma taxa de transmissão de dados em
250Kbps, com modulação O-QPSK (Off Set Quaternary Phase Shift Keying)
em canais com banda passante de 2MHz e 5MHz de separação entre as
freqüências centrais dos 16 canais existentes.
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 66
______________________________________________________________________
Além destes aspectos pode-se citar outros:
• Fonte de alimentação - 2.0 até 3,4 V;
• Potência de saída do transmissor em 0dBm, podendo ser programado
até 4dBm;
• Três modos de operação com baixo consumo de energia:
• < 1μA no modo Off
• 2,3μA no modo Hibernate
• 35μA no modo Doze
• Sensibilidade do receptor de −92dBm para uma PER - Packet Error Rate
em torno de 1%
• Possui quatro timers de comparação internos para otimizar os recursos
do microcontrolador
• Programa-se a freqüência do clock de saída para uso do MCU
• Faixa de temperatura operacional: −40 ºC a 85 ºC
4.4.1.1 Modos de Operação do Transceptor MC13192
O transceptor MC13192x possui alguns modos de operação, como
pode ser visto na Tabela 4.2, que possibilitam o baixo consumo de energia e
uma otimização da comunicação entre as placas do kit MC13193-EVK da
Freescale.
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 67
______________________________________________________________________
Tabela 4.2: Modos de Operação do Transceptor MC1319x
O transceptor MC13192/93 possui, através do sistema SPI, duas
formas de transferência de dados para o microcontrolador (MCU): O Streaming
Mode
1
e o Packet mode
2
.
O protocolo utilizado no estudo em questão (Freescale SMAC) só
permite, para a transferência de arquivos, o uso do Streaming mode. Para
aplicações proprietárias o Packet mode pode ser utilizado para conservar os
recursos do microcontrolador [Simple Media Access Controller User’s Guide –
Freescale, 2008].
4.4.2 Microcontrolador MC9S08GT - Família HCS08
O MC9S08GB/GT é membro da família de microcontroladores HCS08
de 8 bits.
1
Streaming Mode - Os dados são enviados palavra por palavra (word by word) para o
microcontrolador
2
Packet mode - Os dados são armazenados na memória RAM e transferidos de uma vez (em
um pacote) para o MCU
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 68
______________________________________________________________________
Nas placas utilizadas neste estudo, este MCU é utilizado em conjunto
com o transceptor MC13192.
O microcontrolador possui alguns aspectos, que estão sendo utilizados,
e serão detalhados posteriormente neste estudo:
• Aspectos da família HCS08
40MHz HCS08 MCU;
Suporta até 32 fontes de interrupção/resets;
• Aspectos da Série MC9S08GB/GT de MCUs
4k de memória RAM;
60K de memória flash
8 canais para conversão Analógico-digital com até 10 bits de resolução;
Dois módulos de comunicação serial (SCI);
Sistema SPI - Serial Peripheral Interface, responsável pelo comunicação
entreMCU e transceptor;
Até 56 canais de entrada/saída (I/O);
8 canais PWM
4.4.2.1 Módulo de conversão Analógico-Digital (ATD)
O módulo ATD é um conversor que, basicamente, funciona da seguinte
maneira: O sinal é amostrado, mantém-se esse valor e converte-se para ser
tratado e/ou transmitido (sample and hold) [Simple Media Access Controller
User’s Guide – Freescale, 2008].
O módulo ATD possui as seguintes características:
• Resolução de 8 ou 10 bits;
• 14μs para converter uma amostra em 10 bits de resolução, a uma
freqüência de 2MHz;
• Resultado da conversão justificado à direita ou à esquerda (no
registrador);
• Fim de conversão indicada através de um flag ou uma interrupção;
• Multiplexador de até 8 canais analógicos de entrada;
• Modos de conversão simples ou contínua;
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 69
______________________________________________________________________
4.4.3 Bancada de testes
Para os testes em laboratório, dispomos de duas bancadas de testes,
desenvolvidas pela equipe do projeto “Sem Fio 2”, conforme visto na figura 4.7
e 4.8. Na bancada da figura 4.7, Os sensores emulados são:
• A – três potenciômetros, variando a tensão nas entradas
analógicas da bancada, de 0v a 2,5v, simulando os sensores analógicos de
pressão e vazão;
• B – Um motor CC que vai receber um sinal PWM da placa ao
qual ele está conectado que, por sua vez, vai controlar a velocidade deste (não
utilizado neste trabalho)
• C - um enconder que monitora a velocidade do motor CC
controlado;
• D - três chaves digitais on/off;
• E - um sensor de temperatura;
• F – placa responsável pelo controle da tensão fornecida e envio
dos sinais dos sensores ao transceptor;
• G – transceptor.
Figura 4.7 – Fotos da bancada de testes 1
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 70
______________________________________________________________________
Na bancada da figura 4.8 o joystick (item A) é responsável pela variação
a tensão nas entradas analógicas da bancada, de 0v a 2,5v, simulando os
sensores analógicos de pressão e vazão que, por sua vez ligam-se ao
transceptor (item B). O objetivo das duas bancadas de testes é simular as o
comportamento as placas escravas que compuseram a RSSF.
Figura 4.8 – Bancada de testes 2
Evidenciado o funcionamento da rede de instrumentação com a
utilização das bancadas de testes acima descritas, os transceptores “escravos”
e “mestre” foram retirados de suas bancadas e acondicionados em uma caixa
metálica à prova de explosões e de interferências, no sentido de simular, com
maior perfeição, a aplicação real na planta, visto que esta caixa é blindada,
atenuando consideravelmente ruídos que possam influenciar nas transmissões.
Conforme visto na figura 4.9, dentro de cada caixa blindada encontram-se os
transceptores, um conjunto de baterias e, para simular a medição que ocorria
na bancada de testes, trim-pots. Externamente, encontra-se uma antena que
possibilita a comunicabilidade entre os transceptores.
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 71
______________________________________________________________________
Desta forma, torna-se simples a futura interligação de mais placas
escravas, perfazendo o total de sete, utilizadas no método de elevação Plunger
Lift.
Figura 4.9 – Montagem dos transceptores para área classificada
4.4.4 Supervisório – Labview
Para o monitoramento, captura dos dados e envio de pulsos do
coordenador para as placas escravas que simulavam os acionadores, foi
utilizado um ambiente gráfico de desenvolvimento ao qual possibilitou uma
interface amigável entre o usuário e o sistema. O software empregado foi o
Labview, versão 8.0.
O Labview 8.0 é um software em linguagem gráfica que possibilita uma
gama de aplicações envolvendo diversos parâmetros.
A Figura 4.10, mostra a tela do supervisório desenvolvido onde três
placas 13192-EVB (um coordenador e 2 escravos – um por vez) enviam dados
referentes a canais analógicos (equivalem aos sensores analógicos) e enviam
ou recebem dados digitais (equivalem ao acionamento digital das válvulas e
checagem do sensor de presença do pistão) que são capturados, convertidos e
transmitidos via wireless.
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 72
______________________________________________________________________
Figura 4.10: Tela do supervisório.
Cada um dos elementos gráficos descritos na figura acima são,
respectivamente:
• A - Três gráficos por transceptor escravo, representando a leitura
dos três potenciômetros que simulam, na bancada os sensores de pressão e
temperatura;
• B - Um botão de pressão que, quando acionado, simula o pulso
digital que é enviado do CLP à planta, para comandar o acionamento das
válvulas pneumática e eletro-pneumática. Em nosso protótipo, ele é enviado,
via porta SPI, do supervisor à placa mestre e esta propaga a ordem de
acendimento de um led de uma das placas escravas, simulando este
acionamento;
• C - Os gráficos de barra representam os níveis de sinal das duas
placas escravas;
• D - Representam as medidas dos totais de pacotes enviados e
recebidos dos transceptores escravos e o total de pacotes da amostra. Esses
dados, em conjunto com os níveis de sinal medidos em (C) servirão como
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 73
______________________________________________________________________
principal fonte de informação para a bateria de testes a serem apresentadas no
capítulo 5.
A programação do supervisório foi feita em blocos gráficos, como
podem ser vistos na Figura 4.11.
Figura 4.11: Tela de programação do supervisório.
4.5 Arquitetura da Rede
O firmware instalado nos transceptores da rede de sensores deste
trabalho foi desenvolvido utilizando a camada MAC do protocolo Freescale
SMAC. A escolha deste protocolo deve-se, dentre outros fatores, a facilidade
de programação, configuração e implementação, a disponibilidade (em nosso
laboratório, o kit de desenvolvimento já existia) e o custo de aquisição de novos
transceptores do mesmo fabricante (item 4.4).
O software embarcado foi desenvolvido para uma rede de topologia
Estrela e, na sua composição, o transceptor “coordenador” foi configurado
como FFD e os dois transceptores “escravos” como RFD. Cada módulo foi
carregado com um firmware específico, que serão detalhados mais adiante. A
figura 4.12 ilustra o esquema de comunicação deste protótipo. Cada parte
desta imagem pode ser explicado como:
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 74
______________________________________________________________________
A – Supervisório (Labview) funcionando em um microcomputador,
comunicando-se, via UART, com o transceptor mestre;
B – Transceptor mestre comunica-se, via wireless, com os
transceptores escravos;
C e D – Transceptores escravos em conjunto com seus módulos de
sensoriamento.
Figura 4.12 – Elementos do protótipo da RSSF proposta
4.5.1 Métodos de Acesso Controlado
Segundo Soares et.al. (1995), para redes com acesso controlado, um
algoritmo determina quem será o próximo a acessar o meio de transmissão.
Não se faz necessário o emprego das técnicas CSMA, pois a possibilidade de
colisão é nula ou praticamente nula. A conseqüência imediata é que agora o
tempo de resposta é determinístico, sendo perfeitamente previsível e possível
garantir um tempo máximo para qualquer transceptor acessar o meio. Isso
permite a utilização desse tipo de acesso para aplicações de tempo real, como
as de instrumentação e controle de processos. Porém, como o algoritmo de
detecção e correção de erros CSMA/CA já é nativo da camada MAC do IEEE
802.15.4, ele é naturalmente utilizado no processo de comunicação, caso ainda
haja algum tipo de colisão melhorando, assim, a confiabilidade da RSSF.
As técnicas de acesso controlado são ditas determinísticas, porque o
tempo de acesso depende apenas da quantidade de estações e da velocidade
de transmissão. (Soares et.al., 1995).
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 75
______________________________________________________________________
Os métodos de acesso controlado podem ser divididos em: Token
Passing, Empty Slot e Polling sendo, esse último empregado no
desenvolvimento do firmware de comunicação do transceptor mestre
merecendo, portanto, destaque.
4.5.1.1 Método Polling
Segundo Soares et.al. (1995), o método polling (consulta) requer a
existência de um nó central para executar a estratégia de controle centralizada
e o método de acesso é controlado.
Essa técnica é normalmente associada à topologia estrela, que satisfaz
plenamente os requisitos acima descritos. Assim, por exemplo, um nó central
(em nosso caso, o transceptor mestre), controla o acesso de várias estações
(transceptores escravos) ao meio de comunicação, em ligações ponto a ponto.
O polling é adequado à topologia estrela, é determinístico e tem
estratégia de controle centralizada.
Este tipo de método de acesso requer um constante intercâmbio de
mensagens de controle entre o nó central (que faz o controle de acesso) e os
secundários.
Para ser eficiente, o polling necessita que:
a) o tempo de propagação de ida-e-volta seja pequeno;
b) a carga de mensagens de consulta seja pequena;
c) o número de transceptores não seja grande.
O desempenho desse protocolo é extremamente dependente do nó
central. O tempo de resposta é, em geral, alto quando aumenta o tráfego de
mensagens. Vale frisar que, além de controlar o acesso ao meio, o nó central
tem também que efetuar processamento de informação.
Na presente implementação, os transceptores escravos, depois de
saírem da hibernação (modo de economia de energia), entram em modo
contínuo de recepção, esperando sua vez de transmitir. Todos os
transceptores escravos recebem o convite de transmissão, visto que ela é
difundida ao meio físico de comunicação (broadcast) pelo transceptor mestre,
mas somente o transceptor que contenha a identificação de transmitir é que vai
ter a vez, naquele instante. Ao receber a ordem, o transceptor escravo da vez
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 76
______________________________________________________________________
envia (no caso do monitoramento das variáveis de temperatura e pressão) ou
recebe (no caso do acionamento das válvulas pneumáticas) o pacote de dados
para ou do transceptor mestre. Após a confirmação de envio correto da
mensagem, o transceptor escravo volta a hibernar e o transceptor mestre
convida o próximo transceptor escravo. Caso a informação não tenha sido
transmitida, o transceptor mestre retransmite aguarda um tempo pré-
determinado para receber a informação. Findo esse tempo (timeout), o
transceptor mestre passa o convite para o próximo transceptor escravo e o
transceptor escravo que não transmitiu volta a hibernar pelo tempo pré-
configurado no timer do mesmo. O ciclo de polling se repete indefinidamente,
enquanto a rede permanecer ativa.
4.5.2 Mecanismos de Economia de Energia
(Transceptores Escravos)
Como, em futura implementação no campo, o transceptor mestre ficará
conectado, via interface serial, ao CLP que controla o plunger lift, o mesmo
utilizará a fonte de energia que alimenta o próprio CLP, estando sempre em
estado de transmissão e recepção dos dados. Já os transceptores escravos
necessitarão de uma maior economia de energia, visto que suas baterias são
compactas, fornecendo pouca corrente ao módulo (sensor ou atuador e
transceptor).
Os componentes utilizados no protótipo, especificamente o
microcontrolador e o transceptor de RF, podem trabalhar em modos de
economia de energia, possibilitando essa economia nos tempos sem
transmissões ou recepções. Como os pacotes utilizados pelo LR-WPAN IEEE
802.15.4 são muito pequenos, esse tempo de espera pode se repetir várias
vezes durante uma transmissão/recepção.
Para que o componente volte ao modo de funcionamento normal, uma
ação externa é necessária. Seja por um sinal num pino do componente, seja
através de um timer. Seria ideal se tanto microcontrolador quanto transceptor
pudessem ser postos em modo econômico ao mesmo tempo. Mas, para que
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 77
______________________________________________________________________
um timer seja implementado, faz-se necessária a presença do microcontrolador
em estado de funcionamento constante.
As características de aquisição de dados dos sensores e envio de sinal
aos atuadores da planta estudada ocorrem em tempos diferenciados. Desta
forma, foram disponibilizadas as seguintes opções:
I – Temporização da freqüência de hibernação dos transceptores
responsáveis pela leitura dos sensores de temperatura e pressão em seis
segundos;
II – Temporização do acionamento das válvulas pneumática e eletro-
pneumática em um segundo;
III – Ordem de transmissão de leitura via acionamento por pino externo
do sensor de presença do pistão. Ao final da transmissão, o transceptor volta a
hibernar.
Nos itens I e II e III, a primitiva utilizada para a hibernação dos
transceptores foi a MLMEHibernateRequest. Após o ciclo de hibernação, os
transceptores receberam a ordem de transmissão através da primitiva
MLMEWakeRequest. Finda a transmissão, novo ciclo se reiniciou,
configurando, assim, um laço infinito. Estudo de dados sobre tempos de
transmissão, economia dos transceptores e vida útil da bateria serão
explorados nas etapas de testes (capítulo 5).
4.6 Comunicação dos elementos da RSSF
4.6.1 Comunicação Supervisório/Transceptor Mestre
Conforme descrito no item 4.4.4, o Labview foi utilizado para construir
uma interface gráfica, simulando o funcionamento do CLP (no acionamento das
válvulas) e do supervisório profissional, desenvolvido para fins de
monitoramento do Plunger Lift.
O fluxograma da figura 4.13 ilustra melhor este esquema de
comunicação.
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 78
______________________________________________________________________
Figura 4.13 – Comunicação Supervisório/Transceptor Mestre
4.6.1.1 Descrição da troca de mensagens
A – Caso exista pulso de acionamento de uma das válvulas
pneumáticas, o programa supervisório (Labview) envia ao transceptor mestre,
via interface serial RS-232, dois bytes que representam: o endereço
identificador da placa escrava e qual canal digital deverá ser endereçado (pulso
de acionamento da válvula solicitada).
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 79
______________________________________________________________________
B – A interface serial é testada. Estando OK, passa para a próxima
etapa. Caso contrário (D), reinicia a RS-232 e retorna ao início, para aquisição
do pulso.
E – Uma rotina de teste do mestre é ativada. Caso o mestre esteja
ativo (F), recebe os dados de ativação da válvula em questão (G). Caso
contrario (H), o supervisório aguarda a ativação do mestre. Caso o timeout
ocorra, o supervisório reporta um alerta de erro de comunicação(I) com o
transceptor mestre e retorna ao início, esperando nova comunicação.
J- Se não houver pulsos a enviar, o supervisório entra em modo de
recepção de dados dos sensores, vinda do mestre, via RS-232.
K – Caso os dados tenham sido recebidos, o gráfico de leitura (L) do
sensor é exibido no painel do supervisório e, novo laço recomeça.
4.6.2 Comunicação Transceptor Mestre/Supervisório
O fluxograma da figura 4.14 descreve este outro esquema de
comunicação.
Figura 4.14 – Comunicação Transceptor Mestre/Supervisório
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 80
______________________________________________________________________
4.6.2.1 Firmware do Transceptor Mestre
Este firmware é o responsável por fazer o gerenciamento da
comunicação sem fio, utilizando o método determinístico polling, descrito
anteriormente, e utilizando-se das primitivas do protocolo Freescale SMAC.
Ele foi programado para constantemente requisitar informação dos
sensores, um por vez e transmitir, quando necessário, os pulsos de
acionamento das válvulas pneumática e eletro-pneumática. Nenhum esquema
de economia de energia foi implementado, já que o transceptor mestre ficará
acondicionado no interior da caixa da UTR, recebendo a alimentação da
mesma.
O transceptor da placa mestre possui alguns estados que são ajustados
no seu firmware conforme a ação a ser realizada. pelos mesmos. A Tabela 4.3
identifica esses estados.
Tabela 4.3: Estados do Transceptor Mestre.
Transceptor Mestre
Reset State
Transmit Data
Receive Data
Transmit Data
Receive Sci
Na placa mestre, o firmware já está em execução em um loop infinito,
sempre verificando o valor da variável gi8AppStatus, variável esta responsável
pelo estado do transceptor.
O firmware conta com os seguintes módulos:
• Inicialização_PAN – este módulo é responsável por realizar todo o
processo de inicialização da RSSF (variável gi8AppStatus com o estado Reset
State), contando com as etapas de atribuição do canal de comunicação (canal
25) e da rede, inicialização de buffers de transmissão e recepção, da tabela de
endereços dos transceptores escravos e dos registradores responsáveis pelos
temporizadores utilizados no processo de polling dos transceptores escravos;
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 81
______________________________________________________________________
• Adquire_dados_SCI – ao ser invocado, o módulo em questão
recebe dados provenientes do pulso de acionamento de alguma das válvulas
pneumáticas vinda do supervisório e monta o pacote de dados para envio ao
transceptor escravo responsável por seu acionamento físico;
• Imprime_dados_SCI – de posse das leituras do sensor do
transceptor escravo, prepara o pacote de dados e o envia para o supervisório,
via RS-232
• Comunica_PAN – rotina principal. Nela a tabela de endereços
dos transceptores escravos é acessada e, um por vez, uma requisição de
transmissão e recepção de dados do sensor escravo da vez é feita, bem como
o tratamento de falhas na comunicação entre os transceptores e a leitura ou
envio de dados analógicos e digitais.
• Timeout_remoto – caso a comunicação com o transceptor
escravo não tenha sido bem sucedida, essa rotina é chamada e trata do erro
de comunicação, enviando um alerta ao supervisório, via RS-232 e contando
como pacote de recepção perdido.
4.6.2.2 Descrição da troca de mensagens
A troca de mensagens, então, ocorre da seguinte maneira (figura 4.14):
A - Caso a RS-232 tenha recebido dados vindo do supervisório (indica
que houve um pulso para acionamento de alguma das válvulas), é gerada uma
interrupção que ativa o flag - gu8SCIDataFlag. Quando este flag é ativado o
programa, ao passar por uma condição "se", muda o estado da variável
gi8AppStatus para Receive Sci. O transceptor mestre prepara o pacote para
envio ao transceptor escravo responsável pelo acionamento da válvula em
questão (B), mudando o valor da variável gu8SCIDataFlag para o estado
Transmit Data.
C – A rotina “Envia dados” é responsável pelo envio do pacote ao
transceptor escravo e o tratamento de eventuais falhas no processo de
comunicação. Essa rotina é apresentada em detalhes na descrição da
comunicação “mestre”/”escravo”, a ser vista à seguir.
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 82
______________________________________________________________________
D – Se a RS-232 não recebeu dados do supervisório, o transceptor
mestre muda o valor da variável gu8SCIDataFlag para o estado Receive Data,
preparando o envio do pacote de leitura (E) do sensor do transceptor escravo
da vez (três bytes, representando o ID da rede PAN, o ID do transceptor
escravo e o valor do sensor lido).
F – Estando a RS-232 apta, os dados de leitura do sensor são
transmitidos (G) ao supervisório e novo ciclo se inicia.
H – Caso a RS-232 não esteja pronta, a mesma é reinicializada pelo
transceptor mestre.
4.6.3 Comunicação Transceptor Mestre/Transceptor
Escravo
Na Figura 4.15 pode-se observar um fluxograma resumido do firmware
do transceptor mestre.
Situações do tipo: confirmação de envio ou recebimento da mensagem,
tratamento de colisões, inicialização do dispositivo são inerentes do próprio
protocolo, não sendo abordado neste fluxograma.
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 83
______________________________________________________________________
Figura 4.15 – Fluxograma do firmware do transceptor mestre
4.6.3.1 Descrição da troca de mensagens
A – Nesta etapa, o transceptor mestre consulta a tabela de identificação
do transceptor escravo da vez e prepara-se para a transmissão de dados.
OBS: Os itens, de B a G, referem-se à rotina Envia dados (fluxograma
4.14).
B – O valor da variável gi8AppStatus é mudada para o estado Transmit
Data e o transceptor mestre tenta comunicação com o transceptor escravo, em
um laço.
C - É feito um teste da existência deste escravo. Em estando ativo, o
mesmo recebe a requisição de comunicação. Quando o transceptor mestre
recebe a confirmação (Acknowledgment) do escravo, o valor da variável
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 84
______________________________________________________________________
gi8AppStatus é mudada para o estado Receive Data, recebendo (D), então, o
pacote de dados vinda do escravo.
E – O transceptor mestre pesquisa a tabela de identificação dos
transceptores escravos a procura do próximo escravo a ser solicitado. Caso a
tabela tenha atingido o seu fim, a pesquisa retorna ao seu início, cujo processo
de polling é recomeçado.
F – Caso a comunicação com o transceptor escravo não tenha ainda
sido bem sucedida, o transceptor mestre aguarda até o tempo de timeout, pelo
estabelecimento desta comunicação.
G – Na existência do timeout, o transceptor mestre reporta um erro de
comunicação ao supervisório, que trata essa perda como perda de pacote e faz
a requisição para o próximo escravo (E).
4.6.4 Comunicação Transceptor Escravo/Mestre
Assim como transceptor da placa mestre, o transceptor escravo possui
os seguintes estados (tabela 4.4):
Tabela 4.4: Estados do Transceptor Escravo.
Transceptor Escravo
Reset State
Transmit Data
Receive Data
Hibernate
Wake up
4.6.4.1 Firmware do Transceptor Escravo
Este firmware foi programado para ficar em modo de recepção de
dados, proveniente do transceptor mestre para, então, transmitir a informação
do sensor ou atuador ao qual ele está fisicamente conectado. Após a
transmissão, o mesmo entra em estado de hibernação, com fins de economia
de energia das baterias, por um tempo preestabelecido, levando-se em
consideração a janela de aquisição de leitura/escrita necessária ao dispositivo
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 85
______________________________________________________________________
de instrumentação. Após, é dado a ordem de reativação para recepção e novo
ciclo se reinicia, em loop infinito.
O firmware conta com os seguintes módulos:
• Inicialização_dispositivo – este módulo é responsável por realizar
todo o processo de inicialização do transceptor escravo (variável gi8AppStatus
com o estado Reset State), contando com as etapas de atribuição do canal de
comunicação (canal 25) e da rede, inicialização de buffers de transmissão e
recepção e dos registradores responsáveis pelos temporizadores no esquema
de economia de energia dos transceptores escravos;
• Recebe_dados – esta rotina espera a requisição do transceptor
mestre para, à partir de então, transmitir os dados do sensor ou receber a
ordem de acionamento da válvula pneumática nele conectado. Ela também é
responsável pelo controle dos tempos de hibernação e reativação do
transceptor.
A Figura 4.16 ilustra o fluxograma resumido do firmware do transceptor
escravo.
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 86
______________________________________________________________________
Figura 4.16 – Fluxograma do firmware do transceptor escravo
4.6.4.2 Descrição da troca de mensagens
A – Esta etapa do fluxograma faz o transceptor escravo mudar o valor da
variável gi8AppStatus para o estado Receive Data a espera da requisição de
transmissão por parte do transceptor mestre, em um laço (B).
C - Se o transceptor escravo tiver em seu conjunto, um sensor, a
informação de leitura é preparada para envio ao transceptor mestre; se, em seu
conjunto estiver acoplada uma das válvulas pneumáticas da planta, o
CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO 87
______________________________________________________________________
transceptor escravo recebe o pulso de acionamento vinda do mestre; se a
informação for de sensoriamento, o valor da variável gi8AppStatus é mudada
para o estado Transmit Data.
D – Após a recepção/envio, o transceptor escravo entra em modo de
economia de energia (estado Hibernate) do transmissor, permanecendo assim
(F) até o fim do período de hibernação (E) A ordem de reativação do escravo
pode ser por tempo ou por pino (item 4.5.2).
G – O valor da variável gi8AppStatus é mudada para o estado Wake Up,
reativando o transmissor, reiniciando todo o processo de recepção da
requisição de comunicação com o transceptor mestre.
______________________________________________________________________
Capítulo 5
Resultados
Este capítulo apresenta os resultados obtidos durante a elaboração
deste trabalho, através da realização dos: tempos de comunicação da RSSF;
pacotes perdidos na transmissão ou recepção em diferentes condições (indoor,
outdoor e na presença de interferências) e; gerenciamento do firmware no
tocante à economia de energia dos transceptores escravos e na presença de
alguns tipos de falhas.
5.1 Tempos de comunicação da RSSF
Para a realização dessas medições, utilizamos o osciloscópio de marca
Tektronix modelo TDS 380, em períodos de hibernação do transmissor de um
em um segundo, onde um dos transceptores escravos foi mensurado (indoor).
Na figura 5.1 verificamos o quão próximo de um segundo ficou o valor de
tempo medido na comunicação (929,6 milissegundos, em destaque, no
círculo), atestando a eficiência na temporização do transmissor realizado pelo
firmware do transceptor.
Ainda na figura 5.1 foi mensurado o consumo médio em cada
comunicação (transmissão e recepção), que ficou na ordem de 40,8 mV (em
destaque, no quadrado) equivalendo a 40,8 mA, o que se aproxima do valor
apresentado na folha de dados do fabricante (41,5 mA).
Capítulo 5. Resultados 89
______________________________________________________________________
Figura 5.1 – Período de comunicação dos transceptores escravo (1 em 1 s)
As figuras 5.2 e 5.3 apresentam os tempos e consumos de transmissão
e recepção do transceptor escravo da RSSF responsável pelo sensoriamento
em um segundo.
Na figura 5.2, observa-se que o tempo total de cada transmissão ficou
em 1,5 ms e o consumo na ordem de 43,2 mA, distante do especificado na
folha de dados do fabricante, que é de 36,554 mA. O motivo desta
discrepância deve-se ao consumo do sensor de pressão acoplado ao conjunto.
Capítulo 5. Resultados 90
______________________________________________________________________
Figura 5.2 – Tempo total de transmissão de um transceptor
O tempo total de cada recepção ficou em de 600 µs com um consumo
na ordem de 38,4 mA, conforme visto na figura 5.3, distante do especificado na
folha de dados do fabricante (43,554 mA), devido ao pequeno volume de
informações do pacote. O pacote que cada transceptor escravo responsável
pelo sensoriamento recebe do transceptor mestre é pequeno, sendo
rapidamente assimilado e processado acarretando, desta forma, um menor
consumo.
Capítulo 5. Resultados 91
______________________________________________________________________
Figura 5.3 – Tempo total de transmissão de um transceptor
No processo de polling, o tempo de solicitação de comunicação feita, do
transceptor mestre ao transceptor escravo é de 30 ms. Em caso de timeout, o
algoritmo reporta uma perda de pacote e solicita comunicação com o próximo
escravo da fila.
5.2 Avaliação do firmware dos transceptores escravos
na economia de energia
Para avaliar a eficiência do firmware na economia de energia dos
transceptores escravos, foi utilizado o seguinte cálculo (equação 5.1):
Fonte de alimentação(mA)/consumo do conjunto(mA) = tempo de vida (H) (eq. 5.1)
Como fonte de alimentação dos transceptores escravos, foi utilizado um
conjunto de 4 pilhas do tipo Ni-Mh, de 1,2v por 2.500 mA, ligadas em série.
Capítulo 5. Resultados 92
______________________________________________________________________
Para efeitos de cálculo, vamos considerar o conjunto como alimentado por uma
única pilha.
Um transceptor escravo, em modo de comunicação contínua gastando,
portanto, 40,8 mA, teria um tempo de vida de 61,27 horas (2.500/40,8) ou 2,54
dias (61,27d/24h), ou seja, quanto menor for a proporção de tempo que o
transmissor está trocando mensagens em relação ao tempo que está em modo
econômico, maior será o tempo de vida da fonte de alimentação. Para
aplicação da RSSF na planta estudada, mesmo com a adição de mais 3 pilhas,
o tempo de duração do conjunto de alimentação seria impraticável, obrigando a
constantes substituições das pilhas, à espera do carregamento das anteriores.
Na unidade de elevação Plunger Lift estudada, verificou-se que o tempo
de aquisição de dados do CLP é de 6 segundos, enquanto o de acionamento
das válvulas, de 1 segundo. A RSSF proposta pretende partir desses mesmos
tempos. Então, cada conjunto transceptor escravo/sensor ficará em
hibernação pelo mesmo tempo da atual configuração da planta (6s) e cada
atuador, com o tempo idêntico ao presente no modelo (1s). Economia maior
pode ainda ser implementada pelo firmware do transceptor que monitora o
sensor de chegada do pistão à superfície, visto que essa medida só muda a
cada 15 minutos, em média. Neste caso, o firmware em particular pode ficar
em hibernação até ser acordado pelo pulso emitido pelo sensor em questão,
comunicar com o transceptor mestre e voltar a hibernar.
Então, se o transceptor ficasse hibernando por 1 segundo, acordasse,
transmitisse/recebesse o pacote por 2,1 mS (1,5 mS transmitindo + 0,6 mS
recebendo) e voltasse a hibernar por mais 1s, repetindo o ciclo, teríamos
0,22% de transmissões em consumo total, equivalente a 0,09 mA, o que daria
uma autonomia 3,17 anos para 1 bateria (2.500/0,09 = 33.750h/24h/365d).
Com duas destas pilhas o sistema teria um tempo de vida aproximado de seis
anos, valor perfeitamente aceitável para a aplicação, mesmo sem levar-se em
consideração o consumo de cada sensor ou atuador. Partindo deste mesmo
raciocínio, para um tempo de hibernação de 6 segundos, a autonomia sobe
para 7,13 anos por bateria.
Capítulo 5. Resultados 93
______________________________________________________________________
5.3 Pacotes transmitidos, recebidos e perdidos
Nesta etapa de testes foi avaliada a confiabilidade do enlace de
comunicação com relação à taxa de erros de pacotes (PER - Packet Error
Rate). Para correta avaliação, diversos testes em ambiente externo (outdoor) e
interno (indoor) foram realizados.
As medições foram realizadas através de um método de comparação
entre os pacotes enviados pelo transceptor escravo e recebidos pelo
transceptor mestre, cada qual com um contador de envio e recepção próprios.
À medida que cada pacote era enviado ao transceptor escravo, o contador
incrementava em um o seu valor anterior. Do lado do transceptor escravo,
cada pacote recebido era também incrementado em um e enviado, em
conjunto com o pacote de dados, ao transceptor mestre que, por sua vez, fazia
a diminuição entre pacote enviado e recebido, totalizando os pacotes perdidos,
sendo os mesmos enviados ao Labview, via RS-232. Quando o contador de
ambos os transceptores atingia o valor de 5.000 (valor esse utilizado para uma
amostra e em todos os testes do item 5.3 bem como uma média aritmética das
perdas de pacotes entre os dois transceptores escravos), o mesmos eram
zerados e o processo recomeçava.
As tabelas, gráficos e cálculos estatísticos utilizados nesta etapa foram
feitos no Microsoft Excel 2007.
5.3.1 Testes em ambiente externo
No sentido de representar melhor o ambiente real da planta, foram
realizados os testes outdoor em uma planta projetada para testes de fluídos
existente no LAMP – Laborátório de Análise e Medição de Petróleo da UFRN –
Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
A RSSF foi montada com três transceptores, onde um deles representou
o mestre (alimentado por conector e energia da planta) e dois os escravos
(com alimentação de 4 pilhas AA, de 2.500 mAh x 1,2v cada), todos
acondicionados em caixas anti-explosão (figura 4.9).
Capítulo 5. Resultados 94
______________________________________________________________________
Cada transceptor foi instalado a 1,30m de altura do solo; os
transceptores escravos distaram 2,3m um do outro e; entre o transceptor
mestre e os escravos, 2m de distância (figura 5.4).
Figura 5.4 – RSSF em ambiente externo de testes
De acordo com a tabela 5.1, pode-se notar que, na distância de 2m a
perda de pacotes foi considerada desprezível.
Tabela 5.1 – Medições outdoor a 2 metros
Amostras Potência do sinal (%) Pacotes perdidos (%)
1 80 0,02
2 78 0,04
3 77 0,02
4 81 0
5 79 0,02
6 82 0
7 77 0,06
8 79 0,02
9 80 0
10 82 0
No intuito de testar a eficiência da comunicação em distância mais
próxima à da planta estudada, afastamos o transceptor mestre 5 metros em
relação aos transceptores escravos. Apesar de discreta diminuição na potência
da transmissão e pequeno aumento no percentual de perdas de pacotes,
Escravo 1
Mestre
Escravo 2
Capítulo 5. Resultados 95
______________________________________________________________________
resultados semelhantes foram alcançados em relação ao teste realizado a 2
metros, conforme observado na tabela 5.2.
Tabela 5.2 – Medições outdoor a 5 metros
Amostras Potência do sinal (%) Pacotes perdidos (%)
1 80 0,06
2 78 0,06
3 77 0,08
4 81 0,14
5 79 0,28
6 82 0,1
7 77 0,12
8 79 0,06
9 80 0,12
10 82 0,06
Após essas primeiras medições, foi realizada uma segunda bateria de
testes, entretanto com distâncias superiores as consideradas no teste anterior
e em local diferente (rua lateral ao LAMP), visto que o layout da planta de
testes não comportava distâncias maiores. A altura de cada transceptor em
relação ao solo, bem como a distância entre os transceptores escravos foi
preservada, afastando-se, neste caso, apenas o transceptor mestre.
De acordo com a tabela 5.3, pode-se notar que, apesar do aumento da
distância e, como conseqüência, da diminuição da potência atingindo níveis
menores que a sensibilidade mínima dos receptores, a quantidade de pacotes
perdidos foi considerada dentro do padrão permitido para a planta em estudo
(1% de perdas, máximo).
Tabela 5.3 – Medições, de 5 a 50 metros
Distância
Potência média(%)
Perda média(%)
5 68,6 0,08
10 67,24 0,16
20 42,6 0,3
30 39,96 0,4468
40 29,4 0,5924
50 21,2 0,738
Capítulo 5. Resultados 96
______________________________________________________________________
De acordo com Bruni (2007), a análise da correlação determina um
número que expressa uma medida numérica do grau de relação encontrada,
sendo útil em trabalhos onde se procura determinar as variáveis
potencialmente importantes.
Para expressar o grau de correlação entre os dois eixos de valores
expressos no gráfico, utiliza-se o coeficiente de determinação ou,
simplesmente, r² ao qual representa a variação explicada pelo modelo e a
variação total. Os valores de r² podem variar de 0 a 1. Quando a medida de r²
é exatamente igual a 1, tal fato significa que toda a variação em relação à
média é explicada pelo modelo, todos os pontos do modelo estão exatamente
sobre a reta de regressão (ajuste integral). Quando o valor de r² é igual a 0,
indica que a qualidade do ajuste linear é péssima, não havendo relação
numérica linear para os pontos da amostra analisada. De modo geral, para
valores de r² iguais ou superiores a 0,60 (60%), diz-se que o ajuste linear
apresenta uma boa qualidade.
Seguindo a metodologia sugerida por Bruni (2007), à partir da tabela 5.3
foi feita a análise de correlação entre distância e perda de pacotes, vista na
figura 5.5.
Figura 5.5 – Correlação distância x pacotes perdidos
No gráfico acima apresentado podemos notar que a linha de tendência
ou referência (linha fina) acompanha a evolução dos valores da curva (linha
Capítulo 5. Resultados 97
______________________________________________________________________
grossa). O coeficiente de determinação ficou em 99%, o que indica, neste
caso, um aumento linear na perda de pacotes à medida em que a distância
aumenta, ou seja, a RSSF mantém a qualidade do enlace de comunicação
estável. Neste mesmo gráfico foi expressa a equação da reta, que pode ser
utilizada para gerar estimativa de perdas de pacotes em distâncias diferentes
das analisadas.
5.3.2 Testes em ambiente interno
Os resultados deste tópico foram gerados no interior do prédio do DCA –
Departamento de Engenharia de Computação e Automação da UFRN, com
metodologia similar aos do ambiente externo, entretanto, o ponto principal foi a
geração de resultados entre ambientes, e não utilizando a distância como
premissa, ou seja, o que foi objetivado nestes resultados foi mostrar a
degradação do sinal em um ambiente com várias paredes, computadores,
armários e pessoas transitando, onde a distância foi uma conseqüência da
mudança de ambientes onde estava localizado o transceptor mestre.
Foram determinados três pontos de medição (5, 10 e 16 metros),
gerando os resultados vistos na Figura 5.6. Nela, os quadrados em destaque
mostram os dois transceptores escravos (s1 e s2) e o transceptor mestre,
inicialmente distados em 5 metros. Após, vemos o deslocamento do mestre
pelos laboratórios do DCA, nas outras duas distâncias.
Capítulo 5. Resultados 98
______________________________________________________________________
Figura 5.6 – Pontos de medição indoor – prédio DCA/UFRN (planta parcial).
Capítulo 5. Resultados 99
______________________________________________________________________
De acordo com Paksuniemi et. al. (2005) o alcance dos módulos em
ambiente interno pode variar entre 10−75 metros, entretanto, Pekhteryev et al.
(2005) assume que a faixa de transmissão entre módulos fica em torno de 30
metros.
Os resultados gerados a partir dos pontos de medição mencionados na
Figura 5.6 apresentaram valores significativos de perdas de pacotes para o
terceiro ponto de medição (16 metros), conforme ilustra a tabela 5.4.
Tabela 5.4 – Medições indoor – distância x média de pacotes perdidos
Distância Perdamédia(%)
5
0,22
10
0,28
16
10
A Figura 5.7 faz a análise de correlação entre os dados da tabela 5.7.
Figura 5.7 – Correlação distância x pacotes perdidos (indoor)
Notamos um forte aumento na perda de pacotes com a distância na
ordem dos 16 metros. Neste tipo de ambiente a RSSF sofreu mais com a
presença de obstáculos do que no ambiente externo, devido à problemas com
multicaminhos e reflexões.
A curva de tendência segue uma equação polinomial, cujo coeficiente
de determinação é exatamente igual a 1 indicando, portanto, que 100% do
ajuste da curva de tendência é excelente, seguindo os valores reais do gráfico.
Capítulo 5. Resultados 100
______________________________________________________________________
Após essa bateria de testes, os transceptores foram mudados de
localização, sendo levados às salas paralelas aos testes iniciais, e com as
mesmas distâncias. Em um terceiro momento, nova alocação foi feita, desta
vez, em diagonal. Os resultados obtidos na segunda e terceira baterias de
teste foram praticamente idênticos ao da primeira, não sendo representados
nesta análise.
Os resultados apresentados nos testes do item 5.3 foram considerados
satisfatórios, visto que o objetivo era estudar e avaliar o desempenho do
firmware do transceptor escravo e da técnica de polling na coordenação da
comunicação entre os transceptores da RSSF em estudo.
Mesmo em ambientes considerados problemáticos, como o caso da
planta de tanques do LAMP, onde havia diversos equipamentos metálicos
houve desprezível perda de pacote. E, nos casos em que a perda foi
extremamente elevada (indoor) o padrão ainda conseguia manter o link de
comunicação atestando, graças a alguns fatores, tais como: características do
protocolo IEEE 802.15.4, algoritmo polling utilizado no firmware do transceptor
escravo, pacotes pequenos circulando no meio físico de comunicação e
algoritmo de detecção e técnica de tratamento de erros CSMA/CA.
5.4 Testes com Sinais de Interferência entre redes wireless
Estes testes referem-se a coexistência entre as redes que utilizam o
padrão aqui escolhido em nosso estudo (LR-WPAN IEEE 802.15.4) e os
padrões IEEE 802.15.1 (Bluetooth) e IEEE 802.11b/g (Wi-Fi). Os canais 15,
20, 25 e 26 podem ser utilizados pelo padrão IEEE 802.15.4, já que eles não
interferem nas transmissões do padrão IEEE 802.11b/g e vice-versa, conforme
abordado no capítulo 3. Todos os resultados foram gerados a partir do canal
25, na freqüência de 2.475 MHz.
Capítulo 5. Resultados 101
______________________________________________________________________
5.4.1 IEEE 802.15.4 x IEEE 802.11b/g
O access point da rede IEEE 802.11b/g foi mantido a 1 metro de raio de
alcance do transceptor mestre, e a distância entre transceptor mestre e
escravos foi de 5 metros nossa rede, em ambiente externo, representando a
implementação real em campo. Foi mantida a mesma metodologia de
transmissão da RSSF utilizada nas testes do item 5.3. Ao mesmo tempo, o
download de um arquivo (IEEE 802.11b), utilizando um link de conexão à
internet de 512Kpbs era feito. Ao final dos testes, os resultados foram
medidos e nova bateria de testes foi realizada, perfazendo o total de 10
baterias de testes semelhantes.
Conforme observado na tabela 5.5, quando a rede de padrão IEEE
802.11b/g foi habilitada, gerou pouca interferência no tráfego de dados da
RSSF, causando pequena perda de pacotes, resultando em um discreto
incremento no número de transmissões na RSSF. Em nossos testes, essa
perda chegou a menos de 1% do total de pacotes transmitidos, em média, o
que atesta a escolha ideal do canal 25 na rede de sensoriamento em estudo.
Durante os testes, não houve queda de nenhuma das duas redes, e os pacotes
não enviados da RSSF foram novamente retransmitidos com sucesso.
Tabela 5.5 – 802.15.4 x 802.11b/g - Medições outdoor a 5 metros
Amostras Potência do sinal (%) Pacotes perdidos (%)
1 77 0,08
2 73 0,09
3 72 0,1
4 78 0,18
5 72 0,32
6 80 0,12
7 75 0,15
8 77 0,1
9 76 0,18
10 80 0,14
Capítulo 5. Resultados 102
______________________________________________________________________
5.4.1 IEEE 802.15.4 x IEEE 802.15.1
Para avaliação da coexistência entre a RSSF e o Bluetooth, utilizamos a
mesma configuração de layout do item 5.3, enquanto interpomos um aparelho
celular comunicando-se com o notebook que monitorava a rede, via Bluetooth.
Devido a técnica de espalhamento espectral presente no IEEE 802.15.1,
o Bluetooth, em nenhum momento, provocou interferências na rede IEEE
802.15.4, não sendo necessário, portanto a exposição dos testes realizados.
5.5 Testes de recuperação de falhas
Conforme comentado neste capítulo, o firmware instalado no transceptor
mestre, solicita comunicação com cada transceptor escravo, um por vez, e,
caso o mesmo não receba resposta, é feita nova tentativa de comunicação em
um tempo de timeout de 30ms. Os testes a seguir foram feitos no intuito de
demonstrar que, frente a algumas falhas de comunicação, o firmware instalado
em cada transceptor é capaz de detectar, tratar e, em alguns casos, recuperar
a comunicação.
5.5.1 Latência máxima da rede frente a falhas de comunicação
Como cada transceptor escravo possui a capacidade de hibernação em
tempos que podem ser diferentes um do outro, é natural que, durante a
requisição de comunicação do mesmo por parte do mestre, ele possa ainda
estar hibernando. Como o transmissor, ao hibernar, não tem a capacidade de
ser acordado à distância, a comunicação, naquele momento, pode ser perdida,
gerando um atraso máximo da rede de 30ms/dispositivo consultado. Supondo
que, na tentativa de polling, cada transceptor escravo esteja hibernando até o
tempo de timeout de solicitação do mesmo pelo mestre e levando-se em
consideração que temos o monitoramento de cinco sensores e dois atuadores,
cada um conectado a um transceptor escravo, teremos uma latência máxima
de 0,21 segundos. Na planta em estudo é permitido uma latência máxima de 1
segundo, tanto para os sensores como para os atuadores, visto que o processo
de funcionamento da unidade de elevação Plunger Lift ocorre, no mínimo, a
cada 15 minutos, e as variáveis sensoriadas alteram o seu valor em escala
Capítulo 5. Resultados 103
______________________________________________________________________
linear e gradativa. Portanto, mesmo que todos os transceptores estivessem
temporariamente incomunicáveis, a RSSF teria 35% da latência máxima
permitida.
A rede tenderia a logo se recuperar, visto que cada transceptor escravo,
findo o período de hibernação, entra em modo de recepção constante, só
retornando a hibernação quando receber solicitação de transmissão pelo
mestre e transmitir ou retransmitir a informação que esteja porventura retida no
mesmo.
Como a RSSF utilizada para os testes desse capítulo constava de três
transceptores, foi feito, para o presente teste, o polling como se a mesma
contivesse os sete dispositivos e, mesmo assim, durante a transmissão de
5.000 pacotes (uma amostra), a latência não ultrapassou 1
segundo/comunicação, registrando desprezível perda de pacotes, confirmando
a eficiência do método empregado e do código simplificado utilizado nos
firmwares dos transceptores.
5.5.2 Falha de comunicação permanente em um transceptor
Em modo de funcionamento normal, o transceptor mestre, após
esgotadas 5 tentativas de comunicação com um transceptor escravo a cada
novo ciclo de polling, um alerta é emitido, informando que tal dispositivo
encontra-se inativo. Caso o transceptor mestre falhe, a comunicação com a
porta RS-232, após um tempo de timeout do CLP é interrompida, ficando clara
a pane do nó central da comunicação sem fio.
Testes foram feitos para comprovar o alerta dessas falhas, num total de
10 retiradas, em momentos distintos, dos transceptores escravos e do
transceptor mestre.
5.5.3 Troca “a quente” de transceptores
Como o processo de polling realizado no transceptor mestre continua,
mesmo que a comunicação com determinado transceptor escravo não ocorra,
a retirada e posterior inserção do dispositivo que não estava respondendo pelo
mesmo ou por outro que mantenha o mesmo canal de comunicação, o mesmo
Capítulo 5. Resultados 104
______________________________________________________________________
ID da rede e o ID do escravo reposto é feita naturalmente onde, no próximo
ciclo de polling, o transceptor inserido é prontamente identificado na rede,
começando a funcionar em toda sua plenitude imediatamente após o seu
reconhecimento. Isso permite uma eficiente “troca a quente” do dispositivo ou
mesmo sua parada para substituição de componentes ou rearranjo de layout.
Caso a “troca a quente” ocorra no mestre, tão logo o mesmo é
inicializado, o processo de reconhecimento da rede ocorre, tornando a mesma
imediatamente funcional.
______________________________________________________________________
Capítulo 6
Considerações Finais
Este trabalho propôs a criação e implementação de um software para o
gerenciamento de uma RSSF a ser aplicada no método de elevação artificial de
petróleo e gás natural Plunger Lift, visando a transmissão de dados remota, de
maneira simples, confiável e com baixo consumo de energia, abrindo a
possibilidade do uso, inclusive, em diversos cenários, para diversas aplicações,
principalmente na área industrial, onde há grandes problemas com a
automação de processos.
Dentre as tecnologias pesquisadas foi escolhido o protocolo de
comunicação da Freescale, o SMAC, baseado no padrão IEEE 802.15.4 por
possuir as características desejáveis no projeto e destacar-se das outras com
relação à aplicação em redes de sensores sem fio.
Diante dos testes realizados pôde se verificar a confiabilidade
apresentada pelo software de comunicação desenvolvido.
Como o monitoramento de sensores e acionamento de válvulas é o
objetivo desta rede não se fez necessário uma alta taxa de transmissão de
dados. Desta forma, o padrão IEEE 802.15.4 pôde ser totalmente aplicável, já
que o mesmo trabalha na faixa entre 10 e 250 Kbps e, com isso, a largura de
banda dos seus canais pôde ser menor, trazendo como conseqüência um
baixo consumo de energia, conforme os resultados comprovaram.
O algoritmo baseado na tecnologia de polling (pesquisa) feita do
transceptor mestre aos transceptores demonstrou excelente poder de
recuperação de falhas de várias ordens atestando, assim, a eficiência do
método empregado neste estudo.
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES PARCIAIS 106
______________________________________________________________________
6.2 Sugestões para Trabalhos Futuros
Seguem, abaixo, algumas sugestões como trabalhos futuros:
• Desenvolvimento de um programa em outros tipos de protocolos
que permitam a utilização de todas as primitivas da camada MAC, no intuito de
comparação entre paradigmas;
• Pesquisar a utilização de outros tipos de topologia de rede;
• Implementar um sistema de segurança que minimize os efeitos
das invasões na rede;
• Sobrepor redes do mesmo padrão (IEEE 802.15.4) se
comunicando entre si e avaliar o desempenho destas quanto a interferência
sofrida por ambas e, caso ocorram, como tratar e resolver essas interferências;
• Fontes alternativas de energia e de sensores e atuadores que
permitam um menor consumo de energia do conjunto de sensoriamento
remoto.
______________________________________________________________________
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WANG, Chonggang; SOHRABY, Kazem - University of Arkansas; JANA,
Rittwik; JI, Lusheng; DANESHMAND, Mahmoud - AT&T Labs Research. Voice
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WILLIG, Andreas; MATHEUS, Kirsten; WOLISZ, Adam. Wireless technology in
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YOUNG, Paul H. Técnicas de Comunicação Digital. Prentice Hall, 2006.
ZIGBEE Specification. Documento técnico 053474r17. Zigbee Standards
Organization, 2007.
APÊNDICES 114
______________________________________________________________________
APÊNDICE A – CARTA DE CONFIRMAÇÃO DE APRESENTAÇÃO DE
TRABALHO CIENTÍFICO NO XIII SENACITEL 2008
VALDIVIA, octubre 09 de 2008.
Sr. Felipe Denis M. de Oliveira
Depto. De Engenharia de Computacao e Automacao
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Brasil
De mi consideración:
Tengo el agrado de comunicar a Ud. que la programación
de su trabajo titulado “Rede de Sensores sem fio Utilizando o Padrao IEEE 802.15.4
em Unidades de Elevacao de Petróleo com o Método Plunger Lift” (Código T28),
presentado al XIII Congreso Internacional de Telecomunicaciones, SENACITEL 2008,
es la siguiente:
Día Sala Inicio Término
Viernes
14.nov.2008
B 17:45 Hrs. 18:15 Hrs.
El total de la presentación son 30 minutos, que se
desglosan en 15 minutos de exposición, 10 minutos de consultas y 05 minutos de
SENACITEL2008
APÊNDICES 116
______________________________________________________________________
APÊNDICE B – TRABALHO APRESENTADO NO XIII CONGRESO
INTERNACIONAL DE TELECOMUNICACIONES (SENACITEL), 2008
REDE DE SENSORES SEM FIO UTILIZANDO O PADRÃO IEEE 802.15.4
EM UNIDADES DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO COM O MÉTODO
PLUNGER LIFT
Felipe Denis M. de Oliveira , Jefferson Doolan Fernandes,
Rodrigo Soares Semente, Hundson Thiago M. da Silva, Adrião Duarte D. Neto,
Luiz Affonso H. G. de Oliveira, Andres Ortiz Salazar.
Departamento de Engenharia de Computação e Automação,
Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 59078-900 - Natal - RN – Brasil.
Fone: +(55)(84)3215-3771, Site: www.dca.ufrn.br .
E-mail: [email protected]
Resumo
O objetivo desse artigo é mostrar a implementação de uma rede
de sensoriamento sem fio entre os sensores e o CLP
(Controlador Lógico Programável) existentes em uma unidade
de elevação de petróleo, que utiliza o método Plunger lift,
visando facilitar as eventuais intervenções nesta, bem como
eliminar alguns empecilhos existentes devido à comunicação
física atual da unidade. Para essa comunicação será utilizado o
protocolo Freescale SMAC (padrão IEEE 802.15.4), indicado
para rede de sensores sem fio, e serão mostrados testes
laboratoriais evidenciando que essa implementação é viável.
Palavras chaves: unidade de elevação de petróleo, plunger lift,
rede de sensores sem fio, Freescale SMAC, padrão IEEE
802.15.4, testes laboratoriais.
Abstract
The main goal of this paper is to show the implementation of a
wireless sensor network between the sensors and the PLC
(Programmable Logic Controller) present on a petroleum
elevation unit, that uses a Plunger lift method, issuing to make
easier eventual interventions on it, as to eliminate some hazards
caused by the actual layout of the unit. For this communication it
is going to be used the Freescale SMAC protocol (IEEE
802.15.4 pattern), indicated to a wireless sensor network, and
will be shown tests made in laboratory to confirm that this
implementation is possible.
Keywords: petroleum elevation unit, plunger lift, wireless
sensor network, Freescale SMAC, IEEE 802.15.4 pattern,
laboratory tests.
1. INTRODUÇÃO
Na indústria de petróleo é grande a utilização de sensores para o
monitoramento de variáveis, bem como no acionamento remoto
de válvulas, ligadas a um método de elevação de petróleo.
Porém, para esse monitoramento faz-se necessário uma
configuração física do sistema (comunicação entre os sensores e
o CLP – Controlador Lógico Programável, situado na UTR –
Unidade Transmissão Remota) inconveniente para eventuais
intervenções que necessite de uma modificação no layout do
mesmo, além de inconveniências que venham a surgir da própria
natureza do local, como a presença de animais nas redondezas
que costumam arrancar cabos que ligam sensores ao CLP.
Para solucionar esses e outros problemas, propomos uma rede de
sensores sem fio utilizando o protocolo Freescale SMAC (padrão
IEEE 802.15.4) em uma topologia estrela, onde a implementação
desta será feita em uma unidade de elevação de petróleo (poço)
que utiliza o método de elevação plunger lift, onde o CLP do
mesmo realiza o monitoramento de cinco variáveis (sensores),
sendo: três de pressão, um de vazão e um de presença,
responsável também pelo acionamento remoto de duas válvulas,
ambas pneumáticas tendo, uma delas, o controle de acionamento
proporcional de vazão e a outra será on-off (ou aberta/fechada).
Este artigo está dividido em seis capítulos. Depois desta
introdução, o capítulo dois apresenta o método de elevação
artificial de petróleo plunger lift, descrevendo a forma de
comunicação atual dos seus sensores e atuadores com o CLP e a
proposta para a implementação de uma rede de sensores sem fio
(RSSF) para essa comunicação; no capítulo três fala do padrão e
do protocolo de comunicação escolhido, e da ferramenta
necessária para o desenvolvimento da RSSF proposta; o capítulo
quatro mostra os testes realizados em laboratório, assim como a
descrição do algoritmo de comunicação desta rede; o capítulo
cinco apresenta os resultados obtidos na análise de perdas de
pacotes nos testes efetuados no capítulo anterior; o capítulo seis
cita as conclusões obtidas a partir do trabalho desenvolvido.
2. PLUNGER LIFT
A principal característica do método de elevação de petróleo
plunger lift é a utilização de um pistão como uma interface
mecânica entre o gás da formação e o fluido produzido, evitando
que esse gás passe através do fluido durante a subida na coluna
de produção, o que deixaria grande quantidade de fluido para
trás, aumentando assim a eficiência da produção do poço. [1]
Enquanto o fluido é acumulado no fundo do poço, a válvula na
linha de produção é mantida fechada. A pressão, tanto na coluna
de produção quanto no anular, sobe continuamente, pois cada
vez mais gás é acumulado nestes espaços. Ao ser atingida certa
pressão no anular, a válvula de produção é aberta e a coluna de
fluido é produzida pela expansão do gás acumulado no anular.
Esse tipo de funcionamento do plunger lift é o convencional, que
só necessita do gás proveniente do próprio poço (formação),
porém existe também o tipo assistido que é utilizado quando o
gás proveniente da formação não é suficiente para erguer o
fluido, nesse caso abre-se a válvula de injeção de gás até que a
pressão interna do poço eleve-se ao necessário. [2]
As partes citadas no processo podem ser observadas na figura 1
abaixo.
Figura 1 – Unidade de elevação de petróleo com Plunger
Lift
2.1 Sensores e atuadores no plunger lift
O poço equipado para o método plunger lift é constituído de:
uma válvula pneumática na linha de produção, que será aberta
assim que a pressão interna for grande o suficiente para elevar o
fluido por completo; uma válvula eletro-pneumática na linha de
injeção de gás, que permitirá uma adição de gás caso o
proveniente da formação não for suficiente para atingir a
pressurização necessária; um sensor de vazão de gás, que fará
parte do controle da abertura da válvula de injeção de gás
monitorando, assim, o volume de gás injetado; três sensores de
pressão, um na cabeça do poço, um no anular e um na linha de
produção, onde essas medidas de pressão farão parte do controle
do acionamento da válvula da linha de produção, fazendo com
que a eficiência da produção do fluido seja alta; e um sensor de
presença, que indicará a chegada do pistão na cabeça do poço
(Figura 2).
Figura 2 – Sensores e atuadores presentes no método
Plunger Lift.
Toda a parte de controle que irá tratar as informações adquiridas
pelos sensores (pressão e vazão) e fazer os comandos necessários
das válvulas é realizado pelo CLP que se encontra a poucos
metros da unidade de elevação (poço).
2.2 Comunicação atual dos Sensores e Atuadores com
o CLP
Na atual configuração do sistema de comunicação entre os
sensores e atuadores (citados anteriormente) e o CLP, são
utilizados cabos em eletrodutos ou tubos capilares com gás
natural, como mostrado na figura 3.
Figura 3 – Eletrodutos e Tubos capilares conectados ao
CLP.
2.3 Comunicação dos Sensores e Atuadores com o CLP
proposta
Na configuração proposta para o método de elevação de petróleo
em questão, os sensores e atuadores não mais estarão ligados ao
CLP por meio de fios ou dutos capilares e sim através de uma
rede de sensores sem fio (RSSF), onde utilizamos transceptores
(que chamamos “escravos”) em conjunto com cada
sensor/atuador comunicando-se, sem fio, com outro transceptor
(que chamamos “mestre”) ao qual se encontra conectado ao CLP
por uma porta serial. Essa configuração mostra-se como solução
viável, desde que observados aspectos de confiabilidade e
segurança na transmissão e recepção dos sinais de rádio
freqüência. Os sensores e atuadores passarão a ser alimentados
pelas baterias do módulo de comunicação sem fio que possui
uma célula fotovoltaica para a recarga das mesmas, como
observado na figura 4a.
Na proposta em questão, a válvula na linha de produção possuirá
uma caixa com: a válvula solenóide (que ficava junto ao CLP), o
módulo de comunicação sem fio, baterias e fotocélula. A partir
daí o tubo capilar irá sair da linha de injeção de gás, passar pela
válvula solenóide que se encontra agora na caixa junto ao
atuador e ir direto para o atuador, como na figura 4b, tornando o
poço totalmente independente, fisicamente, do CLP.
Figura 4a – Caixa 1 do Figura 4b – Caixa 2
do módulo sem fio módulo sem fio.
3. REDE DE SENSORES SEM FIO (RSSF)
Devido a inconveniente comunicação atual entre os sensores e
atuadores com o CLP, propomos uma RSSF com o intuito de
tornar o CLP independente, fisicamente, da unidade de elevação
de petróleo facilitando, assim, as eventuais intervenções nesta.
Atualmente se faz necessário desconectar o CLP e retirar todas
as conexões elétricas e pneumáticas existentes na unidade, que
se interligam com o CLP.
Para a implementação dessa rede, foram feitas pesquisas para
determinar o padrão de comunicação da RSSF, sendo escolhido
o protocolo Freescale SMAC, baseado no padrão IEEE 802.15.4,
implementado no Kit de desenvolvimento MC13193 da
Freescale, descrito na seção 3.2.
3.1 Padrão IEEE 802.15.4
O padrão IEEE 802.15.4 foi desenvolvido para atender as redes
sem fio de dispositivos com baixa transferência de dados, baixo
consumo de energia, baixa complexidade e curtas distâncias [3].
Já existem vários artigos publicados comprovando a viabilidade
da implementação de uma RSSF utilizando esse padrão na
indústria, mostrando também suas vantagens e desvantagens,
como em [4]. Com as informações adquiridas a respeito desse
padrão observamos que o mesmo enquadrava-se nas
necessidades desse projeto.
O padrão não pode ser utilizado isoladamente em uma rede de
sensores. É necessária, também, a existência de um protocolo de
rede, responsável por garantir a entrega de mensagens para nós
distantes. O padrão IEEE 802.15.4 especifica apenas as camadas
física e de controle de acesso ao meio (MAC) de um sistema de
comunicação. O protocolo de rede responsável pela entrega das
mensagens pertence à camada de rede. Portanto, para
implementar a camada de rede, os transceptores (rádios) devem
estar conectados a uma unidade de controle, como um
microcontrolador, programado para gerenciar as informações
recebidas pelo rádio, bem como servir de interface entre o sensor
e o rádio.
No kit de desenvolvimento adquirido para realizar os testes de
comunicação, as placas já possuem a comunicação entre o
microcontrolador e o transceptor, restando desenvolver o
algoritmo de gerenciamento das informações e o interfaceamento
entre os sensores e o microcontrolador.
3.2 Protocolo de comunicação Freescale SMAC
O SMAC (Simple Media Access Controller) é um protocolo de
comunicação desenvolvido em C ANSI, pela Freescale
Semiconductor, para o desenvolvimento de aplicações em
transceptores de RF, utilizando o circuito integrado MC13192.
Este protocolo foi desenvolvido para trabalhar com qualquer
processador HCS08 realizando a comunicação entre ele e o
transceptor através do módulo SPI - Serial Peripheral Interface
[7].
3.3 Kit de desenvolvimento MC13193
A rede RSSF foi montada a partir das placas 13192-EVB e
13192-SARD (cinco ao todo), presentes no kit, (figura 5). Cada
placa dispõe basicamente de um microcontrolador MC9S08GT
da Freescale e um transceptor de RF (Rádio Freqüência)
MC13192, do mesmo fabricante. Também acompanha o kit, o
compilador CodeWarrior, onde se desenvolveu o código para a
camada de rede (em C ANSI), carregado no microcontrolador. O
microcontrolador, em questão, possui E/S (Entradas/Saídas)
digitais, conversores A/D (Analógico/Digital) e saídas PWM
(Modulação por Largura de Pulso).
As placas são indicadas apenas para testes possuindo, devido a
esse fator: LED´s, chaves tipo push-button, interfaces de
comunicação RS-232 e USB, acelerômetros, entre outros
dispositivos que, para algumas aplicações, podem ser
desnecessários. Portanto, para aplicações em campo serão
utilizadas placas de tamanho reduzido desenvolvidas para esse
fim.
Figura 5 – Placas do Kit de
desenvolvimento MC13193.
4. TESTES LABORATORIAIS
Para a realização dos testes em laboratório foram utilizados
alguns dispositivos que se comunicam com uma das placas do
kit, a fim de simular os sinais lidos dos sensores e de comando
dos atuadores, citados anteriormente (tópico 2.2). E como
interface entre eles, foi desenvolvida uma placa de circuito
impresso com os circuitos de adaptação dos sinais dessa
comunicação. Essa montagem pode ser observada na figura 6,
que dispõe de: A – três potenciômetros, variando a tensão nas
entradas analógicas do microcontrolador, de 0v a 2,5v,
simulando os sensores analógicos de pressão e vazão; B – Um
motor CC (corrente contínua) que vai receber um sinal PWM,do
microcontrolador, que por sua vez, vai controlar a velocidade
deste, simulando o acionamento da válvula eletro-pneumática; C
- um encoder que monitora a velocidade do motor CC
controlado; D - três chaves digitais on/off; E - um sensor de
temperatura; F – placa responsável pelo adaptação dos sinais de
entrada e saída na comunicação do microcontrolador com os
dispositivos externos citados; G – Placa do kit.
Figura 6 – Montagem 1.
Também foi feita uma segunda montagem utilizando um
manche, com três potenciômetros, conectado a outra placa do
kit, configurando uma RSSF (figura 7), baseado na topologia
estrela.
Figura 7 – Montagem 2.
Para gerenciar as informações trocadas na rede utilizamos uma
terceira placa do kit, como mestre da rede, comunicando-se com
um computador (via porta serial), onde a mesma identifica os
escravos (placas referentes às figuras 6 e 7), trata as informações
recebidas e as envia pela porta serial. Desenvolvemos um
supervisório em Labview (simulando o CLP do poço – Figura 8),
que serviu para realização de testes diversos. Em um deles, o
supervisório mostra a variação de temperatura do sensor presente
na montagem 1, as variações de três potenciômetros também da
montagem 1 e modifica a velocidade do motor CC, de acordo
com a variação de um dos potenciômetros do manche na
montagem 2. Essa variação também pode ser feita no próprio
supervisório, utilizando o potenciômetro presente na interface.
Figura 8 – Supervisório em Labview.
Com esse layout foi testado também, a possibilidade de
interferência dessa rede de sensores com a rede Wi-Fi (padrão
IEEE 802.11g), que também trabalha na freqüência de 2,4 GHz.
Os resultados dos testes serão descritos na próxima seção.
4.1 Mecanismo de economia de energia dos
transceptores escravos
Como, em futura implementação no campo, o transceptor mestre
ficará conectado, via interface serial, ao CLP que controla o
plunger lift, o mesmo utilizará a fonte de energia que alimenta o
próprio CLP (baterias recarregáveis e painel solar), estando
sempre em estado de transmissão e recepção dos dados. Já os
transceptores escravos necessitarão de uma maior economia de
energia, visto que suas baterias são compactas, fornecendo pouca
corrente ao módulo (sensor ou atuador e transceptor). Os
componentes utilizados no protótipo, especificamente o MCU e
o transceptor de RF, podem trabalhar em modos de economia de
energia, possibilitando essa economia nos tempos sem
transmissões ou recepções. Para que o componente volte ao
modo de funcionamento normal, uma ação externa é necessária.
Seja por um sinal num pino do componente, seja através de um
timer que permaneça funcionando. Em nossa implementação,
optamos por usar um timer, através do modo Stop2 do MCU
com o modo Off do MC13192. Como os pacotes utilizados pelo
IEEE 802.15.4 são muito pequenos, esse tempo de espera pode
se repetir várias vezes durante uma transmissão/recepção.
4.2 Descrição das trocas de mensagens
A seguir, descreveremos o algoritmo que envolve as trocas de
mensagens, divididos em 3 etapas: a placa mestre com a placa
escrava; a placa escrava com a placa mestre; e o supervisório
com a placa mestre. Para a detecção e controle de colisões de
dados utilizamos o protocolo CSMA-CA (Carrier Sense Multiple
Access with Colision Avoidance), nativo do padrão IEEE
802.15.4.
4.2.1 Placa mestre com a placa escrava
O pacote de dados transmitidos pela placa mestre, em broadcast,
contém o valor de conversão do PWM enviado pelo
supervisório, via porta serial, a identificação da rede e a
identificação da placa escrava destinada a receber o valor PWM,
preparando-se para receber os dados da placa escrava de mesma
identificação. A cada iteração nova identificação é difundida até
que todas as placas tenham recebido a sua identificação e se
comunicado com a placa mestre, onde novo ciclo se inicia, em
um laço infinito.
4.2.2 Placa escrava com a placa mestre
A placa escrava de identificação correspondente recebe o pacote
da placa mestre e, caso seja ela a responsável pelo controle da
motor valve, recebe o valor PWM de referência; em seguida,
transmite os dados dos sensores, em broadcast, à placa mestre,
em conjunto com a identificação da mesma. Esse ciclo se repete
indefinidamente.
4.2.3 Supervisório com a placa mestre
O supervisório receberá o pacote da placa mestre, via porta
serial, contendo os dados da placa escrava da vez, e fará a
separação de acordo com a função de cada dado do pacote,
apresentando os resultados em forma de gráficos e variações de
valores desejados (figura 8).
5. RESULTADOS
Utilizamos como parâmetro para avaliação de desempenho do
software gerenciador da RSSF, a coexistência entre as redes de
padrão IEEE 802.15.4 e IEEE 802.11g, a confiabilidade do
enlace de comunicação com relação à taxa de erros de Bits (BER
- Bit Error Rate) ou à taxa de erros de pacotes (PER - Packet
Error Rate). Foram realizados diversos testes em situações e
ambientes diferentes, como por exemplo, em um ambiente
externo com a presença de obstáculos entre as placas de
comunicação. Devido à falta de dispositivos (equipamentos) que
pudessem realizar a medição da BER e/ou PER, optou-se por
fazer a medição através de um método de comparação entre os
pacotes enviados, via transceiver mestre e recebidos via
supervisório (Labview), com isso obtivemos a quantidade de
pacotes perdidos, parâmetro esse que corresponde às condições
inicialmente mencionadas, produzindo os resultados descritos
neste tópico.
5.1 Teste de coexistência entre o LR-WPAN IEEE
802.15.4 e o IEEE 802.11b
Este teste refere-se à coexistência entre as redes que utilizam o
padrão aqui escolhido em nosso estudo (LR-WPAN IEEE
802.15.4) e o padrão IEEE 802.11b. Os canais 15, 20, 25 e 26
podem ser utilizados pelo padrão IEEE 802.15.4, já que eles não
interferem nas transmissões do padrão IEEE 802.11g e vice-
versa. Todos os resultados foram gerados a partir do canal 15,
na freqüência de 2.425 MHz, freqüência essa que não interfere
nas transmissões do padrão IEEE 802.11g, e com a potência de
transmissão máxima em todos os transceptores [6].
Utilizamos, neste teste, a mesma metodologia empregada em [6]
onde o access point da rede IEEE 802.11b foi mantida a 1 metro
de raio da nossa rede, em ambiente externo, livre de obstáculos,
representando a implementação real em campo. O transceiver
mestre enviou, a cada 1 ms, uma ordem de leitura a um dos
transceptores escravos, no total de 5000 pacotes transmitidos
(IEEE 802.15.4) ao mesmo tempo em que era feito um download
de um arquivo (IEEE 802.11b), utilizando um link de conexão à
internet de 512Kpbs. Ao final dos testes, os resultados eram
medidos e nova bateria de testes era realizada, perfazendo o total
de 10 baterias de testes semelhantes.
Conforme observado em [6], quando a rede de padrão IEEE
802.11b era habilitada, a mesma gerava pouca interferência no
tráfego de dados da RSSF (-30 dBr), causando pequena perda de
pacotes, resultando em um discreto incremento no número de
transmissões, gerando módico aumento na latência da rede do
padrão IEEE 802.15.4. Em nossos testes, essa perda chegou a
cerca de 15% do total de pacotes transmitidos, em média, o que
atesta a escolha ideal do canal 15 para transmissão da RSSF.
Quando a rede Wi-Fi foi desabilitada, houve um imediato
acréscimo na estabilidade e um decréscimo na latência, devido a
ausência de interferências causadas pelo tráfego na rede IEEE
802.11b. Durante os testes, não houve queda de nenhuma das
duas redes, e os pacotes não enviados da RSSF foram novamente
retransmitidos com sucesso.
5.2 Testes de pacotes enviados em ambiente externo
sem obstáculos
Inicialmente, foram realizados os testes em ambiente externo,
onde o transceptor mestre enviava a cada 1ms uma ordem de
leitura à placa escrava, no total de 5000 pacotes transmitidos. A
distância inicial entre as placas foi de 10 metros e a final de 50
metros, com um incremento de dez metros a cada grupo de três
medições realizadas. Ambas as placas estavam situadas a uma
mesma altura com relação ao solo (~1,30m) e com suas antenas
direcionadas uma para a outra. De acordo com a Tabela 1, pode-
se notar que, apesar do aumento da distância e, como
conseqüência, da diminuição da potência atingindo níveis
menores que a sensibilidade mínima dos receptores, não foi
perdido nenhum pacote em qualquer das medições realizadas em
um mesmo local e em nenhuma das distâncias.
Tabela 1: Medições em ambiente externo com visada
direta até 50 metros
Distância
(m)
Média – potência
do sinal (dBm)
Pacotes
Perdidos (%)
10 -66,38 0
20 -78,70 0
30 -80,02 0
40 -85,30 0
50 -78,54 0
Após essas primeiras medições, foi realizada uma segunda
bateria de testes, ainda em ambiente externo, entretanto com
distâncias superiores as consideradas no teste anterior e com a
transmissão de 1000 pacotes a cada 50 metros. A distância
inicial entre as placas foi de 50 metros. A partir dos 200 metros.
Como a quantidade de pacotes perdidos mostrou-se bastante
elevada para d = 250 metros, foram realizadas cinco medições
nesta mesma distância e os resultados são apresentados no
Gráfico 1. O desvio padrão calculado para estas cinco medições
foi de 25,48%. Este valor de desvio padrão, aliado a média de
pacotes perdidos (%) torna o enlace de comunicação
inapropriado até para processos mais simples como o de
monitoramento.
Gráfico 1: Medições realizadas na
distância de 250 metros.
APÊNDICES 115
______________________________________________________________________
intermedio. Para la presentación de los trabajos se dispondrá de salas equipadas con
notebook y data show.
Se ruega confirmar el nombre del autor que expondrá el
tema, además de enviar una breve biografía del expositor.
Esperando contar con su presencia en este evento,
saluda muy cordialmente a Ud.,
ALEJANDRO VILLEGAS MACAYA
Secretario Ejecutivo SENACITEL´2008
AVM/dsp.
3
3
Facultad de Ciencias de la Ingeniería - General Lagos Nº 2086 - Casilla 567 - Campus Miraflores -
Valdivia - Chile
Fonos : 56-63-221831 • 56-63-221868 - Fax: 56-63-221868 - E-mail: electric@uach.cl - web:
http://www.uach.cl
5.3 Testes de pacotes enviados em ambiente interno
com obstáculos
Os resultados nesta seção foram gerados dentro do prédio do
LAMP – Laboratório de Análise e Medição de Petróleo, situado
na UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte, com
procedimento similar aos do ambiente externo, entretanto, o
ponto principal foi a geração de resultados entre ambientes, e
não utilizando a distância como premissa; ou seja, o que foi
objetivado nestes resultados foi mostrar a degradação do sinal
em um ambiente com várias paredes, computadores, armários e
pessoas transitando, situação que simula obstáculos nas
proximidades do poço onde o plunger lift esteja instalado. A
distância foi uma conseqüência da mudança de ambientes onde
estava localizada a placa escrava.
Foram determinados três pontos de medição onde seriam
gerados os resultados. Em cada ponto foram realizadas dez
medições com a transmissão de 5000 pacotes cada em
aproximadamente 60 segundos.
Nos dois primeiros pontos de medição (~5m e ~10m), constatou-
se uma pequena perda de pacotes, apesar da grande quantidade
de obstáculos existentes nos ambientes. Entretanto, conforme
mencionado anteriormente, as medições realizadas no terceiro
ponto de medição apresentaram valores significativos de perdas
de pacotes (Gráfico 2). Neste tipo de ambiente a rede LR-WPAN
IEEE 802.15.4 sofreu mais com a presença de obstáculos do que
no ambiente externo, devido à problemas com multicaminhos e
reflexões.
Gráfico 2: Perda de pacotes (%) em ambiente interno
(distância ~15m)
6. CONCLUSÃO
A partir dos estudos e testes realizados, pôde-se observar a
viabilidade do projeto proposto no que diz respeito à troca de
informações e o gerenciamento delas.
O enlace de comunicação entre as placas sem fio mostrou-se
confiável no quesito pacotes perdidos. Como não havia um
equipamento que realizasse a medição da BER ou PER, foi
necessário o desenvolvimento de um sistema que quantificasse
as perdas de dados neste enlace, frente a utilização em ambientes
distintos, com o objetivo de se qualificar o mesmo. O sistema
mostrou-se robusto e confiável em qualquer dos dois ambientes
onde foi testado.
Algumas das vantagens do sistema proposto são a portabilidade
e os componentes do sistema fotovoltaico, disponíveis no
mercado nacional, possuindo dimensões adequadas à
implementação em campo, onde recarregará as baterias que
alimentam os sensores e os transceptores localizados nos
módulos sem fio escravos.
Foram realizados testes de eficiência energética, bem como
testes de distância, dos módulos MC13192, por [5]. Baseado
nesses testes observa-se o baixo consumo desses, porém serão
realizados os mesmos testes com os módulos conectados aos
sensores e atuadores. Esses testes servirão para o
dimensionamento das baterias e/ou painéis solares, que
alimentaram os sistemas sensor-módulo RF. Em seguida serão
fabricadas caixas para cada sistema, onde deveram ser
classificadas para áreas com risco de explosão. Então serão
realizados testes em campo para verificar a viabilidade do
projeto, levando em consideração essas e outras modificações
que venham a surgir.
AGRADECIMENTOS
A realização desse projeto só esta sendo viável graças ao
incentivo financeiro da PETROBRAS, bem como ao
acompanhamento e consultoria do Engenheiro Edson Henrique
Bolonhini.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Plunger Lift: Applications, Advantages and Limitations, Society
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Petróleo da Universidade Estadual de Campinas, 02/1994.
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[4] ZHENG, L. ZigBee Wireless Sensor Network in Industrial
Applications, SICE-ICASE International Joint Conference 2006,
10/2006.
[5] MELLO, A. J. T. S. Um Estudo da Aplicação de Rede de
Sensores para Monitoração da Proteção Catódica em Dutos,
Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática
Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná,
04/2007.
[6] PETERSEN, Stig; DOYLE, Paula; VATLAND, Sven;
AASLAND, Christian Salbu; ANDERSEN, Trod Michael;
SLONG, Dag. “Requirements, Drivers and Analysis of Wireless
Sensor Network Solutions for the Oil & Gas Industry”. 2007,
Institute of Electrical and Electronic Engeneers, 219, 226
[7] SEMICONDUCTOR, Freescale. “SIMPLE Media Access
Controller (SMAC) - User’s Guide”, Relatório técnico. Freescale
Semiconductor. Document Number: SMACRM, 2008, EUA
APÊNDICES 123
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APÊNDICE C – CARTA DE CONFIRMAÇÃO DO ACEITE PARA
PUBLICAÇÃO EM REVISTA CIENTÍFICA INTERNACIONAL, FRUTO DA
APRESENTAÇÃO DE TRABALHO CIENTÍFICO NO XIII SENACITEL 2008
VALDIVIA, diciembre 29 de 2008.
Señores
Felipe Denis M. de Oliveira , Jefferson Doolan Fernandes,
Rodrigo Soares Semente, Hundson Thiago M. da Silva, Adrião Duarte D. Neto,
Luiz Affonso H. G. de Oliveira, Andres Ortiz Salazar
Brasil
De mi consideración:
Tenemos el agrado de comunicar a Uds. que su
trabajo titulado “REDE DE SENSORES SEM FIO UTILIZANDO O PADRÃO
IEEE 802.15.4 EM UNIDADES DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO COM O
MÉTODO PLUNGER LIFT”, presentado al XIII Congreso Internacional de
Telecomunicaciones SENACITEL 2008, ha sido seleccionado por el Comité
Editorial para ser publicado en un número especial de la revista
“Mediterranean J. Electronics and Communications”, dedicado al Congreso
SENACITEL 2008.
El artículo debe estar escrito en inglés, debe tener al
menos 6 páginas y debe ser una versión extendida del artículo presentado en
SENACITEL 08. Esta versión extendida debe contener al menos 15 referencias
bibliográficas, un estado del arte completo, además de resultados y
discusiones. El artículo debe seguir el formato utilizado por esta revista
científica que Ud. puede encontrar en su sitio Web (http://www.medjec.com/).
SENACITEL2008
APÊNDICES 124
______________________________________________________________________
Para que esta selección sea efectiva, Ud. debe
enviar un e-mail de respuesta al presente correo, manifestando su acuerdo o
su rechazo a esta invitación antes del día 30 de diciembre del 2008.
La versión final del artículo debe ser enviada tanto
en formato Word como PDF (en dos archivos separados) al “Guess Editor”
cuyos datos se señalan al final de este correo. Las biografías de cada uno de
los autores del artículo deben ser incluidas en la versión final.
Las fechas claves son las siguientes:
Fecha de confirmación (acuerdo o rechazo) a invitación a publicación :05/01/2009
Fecha de recepción del artículo en inglés (submission date) : 01/04/2009
Fecha de revisión (papers reviewed) : 01/06/2009
Versión final revisada (revised version) : 01/07/2009
Cabe señalar que la revista se guarda todo el
derecho a aceptar o rechazar finalmente el artículo en cuestión.
Para mayores informaciones con el fin de inquirir detalles de
publicación, contactarse con el Dr. Alfredo Illanes Manríquez ([email protected]
) “Guess
Editor” de la revista.
Sin otro particular, le saluda atentamente a Ud.,
APÊNDICES 125
______________________________________________________________________
NÉSTOR FIERRO MORINEAUD
Presidente Comité Editorial SENACITEL 2008
NFM/dsp.
APÊNDICES 126
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APÊNDICE D – TRABALHO ACEITE PARA PUBLICAÇÃO NA REVISTA “THE
MEDITERRANEAN JOURNAL OF ELECTRONICS AND COMMUNICATIONS”
*Corresponding author: E-mail:felipe@novastecnologias.net
WSN USING IEEE 802.15.4 STANDARD IN A PLUNGER
LIFT METHOD
Felipe Denis M. de Oliveira
a*
, Jefferson Doolan Fernandes
a
,
Rodrigo Soares Semente
a
, Hundson Thiago M. da Silva
a
, Adrião Duarte D. Neto
a
,
Luiz Affonso H. G. de Oliveira
a
, Andres Ortiz Salazar
a
.
a
Department of Computer and Automation Engineering,
Federal University of Rio Grande do Norte, 59078-900 - Natal - RN – Brazil.
Fone: +(55)(84)3215-3771, Site: www.dca.ufrn.br .
ABSTRACT
The main goal of this paper is to show the implementation of a
wireless sensor network between the sensors and the PLC
(Programmable Logic Controller) present on a petroleum
elevation unit, that uses a Plunger lift method, issuing to make
easier eventual interventions on it, as to eliminate some hazards
caused by the actual layout of the unit. For this communication it
is going to be used the Freescale SMAC protocol (IEEE
802.15.4 pattern), indicated to a wireless sensor network, and
will be shown tests made in laboratory to confirm that this
implementation is possible.
KEYWORDS
Oil & Gas Elevation Unit, Plunger Lift, Wireless Sensor
Network, Freescale SMAC, IEEE 802.15.4 Standard, Laboratory
Tests.
1. INTRODUCTION
In the oil & gas industry is a great use of sensors for the
monitoring of variables, as well as triggering remote valve,
connected to oil’s lifting method. But, for this monitoring, it is
necessary a physical configuration of the system
(communication between the sensors and PLC - Programmable
Logic Controller, located in the RTU - Remote Transmission
Unit) inconvenience to any intervention that requires a change in
its layout, and inconveniences that arise from the site’s nature, as
the presence of animals that usually cut the cables that connect
sensors to the PLC.
To solve these and other problems, we propose a wireless
sensors network using the Freescale SMAC protocol (IEEE
802.15.4 standard) in a star topology, where the implementation
of this will be done in an oil’s elevation unit (well) that uses the
plunger lift method, where its CLP realizes the monitoring of
five variables (sensors): three of pressure, a flow and a presence,
also responsible for remote triggering of two valves, both
pneumatics and one of them the flow’s proportion trigger control
and the other is on-off (or open / closed).
This paper is divided into six chapters. After this introduction,
chapter two presents the plunger lift oil’s artificial lift method,
describing the current form of communication of its sensors and
actuators with the PLC and the proposal for the implementation
of a wireless sensors network (WSN) for this communication; in
chapter three talks about the standard and the communication
protocol of choice, and the necessary tool for the development of
WSN proposal; the chapter shows the four tests in the laboratory
as well as a description of the network’s communication
algorithm; the five chapter presents the results obtained in the
analysis of loss of packages in the tests performed in the
previous chapter; the chapter six cites the obtained conclusions
from the developed work.
1.1 Related Works
There are several studies being developed using the standard
IEEE 802.15.4, where many are focused on the oil`s industry,
and the existence of this pattern with other patterns WPAN.
Featuring the following:
The coexistence between wireless networks using the standard
IEEE 802.15.1 (Bluetooth) and IEEE 802.11b (Wi-Fi), both
operating in the same frequency spectrum (2.4 GHz), creating
scenarios where the systems were placed very close was studied
in [1], concluding that, through changes in the antennas design
and implementations of techniques used in PHY and MAC
layers of the technologies studied, it is possible to reduce or even
eliminate the interference between these two types of networks.
A instrumentation system using wireless technology, with the
development of software based on Freescale SMAC protocol
(IEEE 802.15.4) applied to the monitoring of analog or digital
variables of artificial-lift oil and natural gas, more particularly,
on the rod pump method was proposed in [2]. To assess the
communication link with respect to number of packets lost in
different environments (indoor and outdoor environments), a
prototype was assembled composed of two Freescale’s boards,
respectively, master device and slave device, in point-to-point
topology and communication. The results presented were
considered satisfactory, since the aim was to study and evaluate
the performance of the communication link of the IEEE 802.15.4
standard applied to a wireless sensors network to monitor
variables.
An analysis of the WSN, and its application in industry of
petroleum and natural gas, considering the remote monitoring
benefits was performed in [3]. Related concepts to devices
energy consumption, and standardization of the WSN was
studied and considered essential for its implementation.
Experiments were performed to determine the efficiency of
WSN based on the IEEE 802.15.4 and where this pattern WSN
could not be used. The conclusion of the study is the
recommendation of an open topology with efficient handling of
energy between devices, to standardize the WSN thus it can be
applied in oil and gas industry.
The wireless technologies challenges in the oil and gas industry,
emphasizing the networks based on IEEE 802.11a/b/g standards
(RFID and communication between supervisory and Internet),
IEEE 802.15.4 (WSN), its protocol and applications layers was
studied in [4], concluding that efforts of solutions developers for
wireless networks applied on cited industry should be constant,
in the best choice of used technology, standard and interface.
The study in the monitoring and protection of oil, gas and water
pipelines, using WSN was made in [5]. Was proposed the
creation of a routing protocol called ROLS - Routing protocol
for Linear Strutcture. The WSN structure and associated
protocols have been optimized in order to provide benefits to the
linear nature of the network, reducing installation and
maintenance cost, improving the energy economy and ensuring
the communication efficiency. Experimental results were used to
demonstrate the method efficiency.
The prototype testing construction importance, to measure in
practice, some sources of interference that can arise in remote
monitoring networks, such as Bluetooth and Wi-Fi networks was
emphasized in [6]. The objective was to optimize the access
mechanisms to the IEEE 802.15.4 MAC layer. The analysis
showed that the measurement of certain parameters (amount
transmission failure, experimental time cycle, and network
latency notification) in the interference events can be effectively
identified and improved network configuration.
2. PLUNGER LIFT
The main feature of the plunger lift oil’s artificial-lift method is
the use of a piston as a mechanical interface between the gas and
fluid produced, so that the gas passes through the fluid column
over the production casing, leaving large amount of fluid behind,
thus increasing the well production efficiency. [7]
While the fluid is accumulated in the bottom of the well, the
valve in the production line is kept closed. The pressure, both in
production line and in the annulus, increase continuously, as
more gas is accumulated in these spaces. At certain pressure to
be reached in annulus, the production valve is opened and the
fluid column is produced by the expansion of the gas
accumulated in the annulus. This type of plunger lift operation is
conventional, which only needs the gas from the well
(formation), but is also existed the assisted type that is used
when the gas from formation isn’t enough to lift the fluid, in this
case the injection gas valve opens until the pressure inside the
well achieves the amounts needed. [8]
The cited parties at the process can be observed in Figure 1.
Figure 1. Plunger Lift artificial-lift method
2.1 Plunger Lift Sensor and Actuators
The well equipped for the plunger lift method consists of: a
pneumatic valve in the production line, which will open once the
internal pressure is large enough to raise the fluid completely; an
electro-pneumatic valve in the gas injection tubing which will
allow an addition gas if the gas from the formation is not
sufficient to achieve the required pressure; a gas flow sensor,
which will be part of the gas injection valve opening control
monitoring, so the gas injected volume; three of pressure
sensors, one at the wellhead, in a annulus and in a production
line, where they pressure measurement form part of the
production line control valve triggering, making the fluid
production efficiency is high; and a presence sensor, indicating
the piston arrival at the wellhead (Figure 2).
All the control will process the acquired information by sensors
(pressure and flow) and make the valves necessary commands is
performed by the PLC which is a few meters from the well.
Figure 2. Sensors and actuators in Plunger Lift method.
2.2 Usual Sensor and Actuators
Communication to PLC
In the current system communication configuration between
sensors and actuators (cited above) and PLC, are used in conduit
cable or capillary tubes with natural gas, as shown in Figure 3.
Figure 3. Conduit cable and capillary tubes connected to
PLC.
2.3 Proposed sensor and actuators
communication to PLC
In the proposed configuration for the oils artificial-lift method in
question, the sensors and actuators no longer be connected to
PLC by wire or capillary tubes, but through a wireless sensors
network (WSN), which use transceivers (we call "slaves") with
each sensor / actuator communicating, wireless, with another
transceiver (which we call "master") which is connected to the
PLC by a serial port. This configuration shows up as a viable
solution, since that observed reliability and security aspects of
radio frequency signals transmission and reception. The sensors
and actuators will be powered by batteries of the wireless
communication module, which has a photovoltaic cell for
recharging, as observed in Figure 4a.
The proposal in question, the valve in the flowline will have a
box with: a solenoid valve (which was next to PLC), the wireless
communication module, batteries and photocell. Since then the
capillary will leave the line of gas injection, passing through the
solenoid valve which is now in the box next to the actuator and
go directly to the actuator, as in Figure 4b, making the well
completely independent, physically, from PLC.
Figure 4a . Wireless module Box 1 Figure 4b. Wireless
module Box 2.
3. WIRELESS SENSOR NETWORK (WSN)
Due to current communication problem between sensors and
actuators with the PLC, we propose an WSN in order to make
the PLC physically independent, the well thus facilitating any
interventions in this. Today must disconnect the PLC and
remove all pneumatic and electrical connections in the unit,
which intertwine with the PLC.
For the network implementation, searches were made to
determine the WSN communication standard, and selected the
Freescale SMAC protocol, based on the IEEE 802.15.4 standard,
implemented in the development kit for Freescale's MC13193,
described in section 3.2.
3.1 IEEE 802.15.4 Standard
The IEEE 802.15.4 standard was developed to meet the wireless
networks for devices with low rate data transfer, low power
consumption, low complexity and short distances [9] [10] [11].
There are already several published articles demonstrating the
WSN implementing feasibility using this standard in the
industry, also showing its advantages and disadvantages, as in
[12]. With the acquired information about this standard, that it
fell on this project needs.
A sensors network can not use only the standard. It is necessary,
also, a network protocol, responsible for ensuring the messages
delivery to distant nodes. The IEEE 802.15.4 standard specifies
only the communication system physical layer and medium
access control (MAC), the network protocol responsible for
messages delivery belonging to the network layer. Therefore, to
implement the network layer, the transceivers (radios) must be
connected to a control unit such as a microcontroller,
programmed to manage the information received by radio and
serve as the interface between the sensor and radio.
In the development kit used for the communication testing, the
devices already have the communication between the
microcontroller and the transceiver, leaving develop the
algorithm to information management and interfacing between
the sensors and microcontroller.
3.2 Freescale SMAC Communication
Protocol
SMAC (Simple Media Access Controller) is a communication
protocol developed in ANSI C by Freescale Semiconductor for
development in RF transceivers applications, using MC13192
integrated circuit. This protocol was developed to work with any
HCS08 processor doing a communication between him and the
transceiver module through SPI - Serial Peripheral Interface
[13].
3.3 Development Kit MC13193
WSN was assembled from 13192-EVB and 13192-SARD board
(five in all), included in the kit (Figure 5). Each board has a
MC9S08GT Freescale microcontroller and an MC13192 RF
(Radio Frequency) transceiver by the same manufacturer. Also
couponds the kit, CodeWarrior compiler, which developed the
code for the network layer (in ANSI C), loaded in the
microcontroller. The microcontroller in question, have digital
I/O (input/output), A / D (analog / digital) converter and PWM
(Pulse Width Modulation) outputs.
The boards are shown only for test having, due to this factor:
LED's, push-button type switches, RS-232 and USB
communications interface, accelerometers, and other devices
that, for some applications, may be unnecessary. Therefore, for
field applications will be used in small boards developed for this
purpose.
Figura 5. Placas do Kit de
desenvolvimento MC13193.
4. LABORATORY TESTS
For the laboratory tests, were used some devices that
communicate with one of the signs of the kit in order to simulate
the signals read from the sensors and control of actuators, cited
above (topic 2.2). And as an interface between them, was
developed a printed circuit board with circuitry for adjusting the
communications signs. This assembly can be seen in Figure 6,
that means: A - three pots, varying the voltage in the
microcontroller analog inputs, from 0V to 2.5 V, simulating the
pressure and flow rate analog sensors; B - One DC (direct
current) motor that will receive the microcontroller PWM
signal which, in turn, will control the speed of it, simulating the
driving of the electro-pneumatic valve; C - One encoder that
monitors the speed of DC motor control; D - three digital on / off
keys; E - one temperature sensor; F - board responsible by
microcontroller input and output adjustment with external
devices mentioned; G – Kit’s board.
Figura 6. Assembly 1.
A second assembly using a joystick with three pots was
assembled, which was connected to another kit’s board, setting
up the WSN (figure 7), based on star topology.
For monitoring, data capture and control drive of the actuators
transmission, from coordinator to the slave boards, a supervisory
that was developed using National Instruments LabView’s
program, allowing a friendly graphical interface creation
between the user and the system.
Figura 7. Assembly 2.
Figura 8. Labview Supervisory software.
Each of the graphic elements described in Picure 8 are,
respectively: A - Three slave transceiver graphics, with the
reading of the three pots to simulate, in the pressure side and
temperature sensors; B - Ond push-button that, when activated,
simulates the digital pulse is sent from the PLC to the plant, to
pneumatic and electro-pneumatic valves control. In our
prototype, it is sent via SPI port, from supervisory to the master
board and spread it around the led light of one slave boards,
simulating the drive; C - The graphics bar represents the two
signal plates slaves levels; D – it represent measures of total
packets sent and received from the slave transceivers and the
total package of the sample. These data, together with the signal
levels measured in (C) serve as the information’s main source
for the battery of tests to be presented in Chapter 5.
Demonstrated the instrumentation’s network operation by using
of tests benches described above, the master and slave
transceivers were removed from their benches and put in metal
boxes Explosion-proof and interference, since the areas where
oil wells are located are risk area considered, as explosion areas.
As seen in Figure 9, within each box are the shielded
transceivers, one batteries set, and to simulate the measurement
that occurred in the bench tests, trim-pots. Externally, there is an
antenna that enables to communicate between transceivers.
Thus, it is simply more of the future interconnection slave
boards, making a total of seven, used in the Plunger Lift method.
Figura 9. Classified Area transceivers assembly.
4.1 The saving energy Mechanism for the
slave transceivers.
How, in field’s future implementation, the master transceiver
will be connected via serial interface to the PLC that controls the
plunger lift, it uses the energy source that powers the CLP itself
(rechargeable batteries and solar panel), always in data
transmission and reception state. But the slave transceivers
require a greater energy saving, because their batteries are
compact, supplying low current to the module (sensor or actuator
and transceiver). The components used in the prototype,
specifically the MCU and RF transceiver, can work on ways to
save energy, allowing the economy in times without
transmissions or receptions. For the component return to normal
operating mode, an external action is required. It will be a signal
pin of a component, or through a timer to remain working. In our
implementation, we chose to use a timer, by the way the MCU
Stop2 Off mode with the MC13192. As the packages used by the
IEEE 802.15.4 are small, the waiting time can be repeated
several times during a transmission / reception.
4.2 The Polling Method
In [14], access control methods can be divided into: Token
Passing, and Empty Slot Polling. This last was used in
development of transceiver master communication’s firmware.
The polling method (query) requires the existence of a central
node to perform centralized control strategy and method of
access is controlled. This technique is usually associated with
star topology, which fully satisfies the requirements described
above. For example, a central node (in our case, the master
transceiver), controls access to various stations (transceivers
slaves) to the means of communication in point-to-point links.
The polling is appropriate for star topology is deterministic and
has centralized control strategy. This type of access method
requires a constant exchange of control messages between the
central node (which is the access control) and the secondary one.
To be effective, the polling method requires:
a) the time of spreading outward-and-back is small;
b) the load of messages from consultation is small;
c) the number of transceivers is not large.
This protocol performance is highly dependent on the central
node. The response time is generally high when increasing the
traffic of messages. It important to mention that, in addition to
medium controlling access, the central node has to perform
information processing.
In this implementation, the slave transceivers, after leaving the
hibernation (power saving mode) is now in continuous mode of
reception, waiting their turn to transmit. All slaves receive the
call transceivers for transmission, as it is disseminated to the
medium of communication (broadcast) by the master transceiver,
the only transceiver that contains the identification of forward is
going to have the time, at that moment. Upon receiving the
order, the slave transceiver sends the time (in the case of
monitoring the variables of temperature and pressure) or receives
(in the case of driving of pneumatic valves) the package of data
to or from the master transceiver. After confirmation of correct
message transmission, the slave transceiver returns to hibernate
and master transceiver calls the next slave transceiver. If
information has not been sent, the master transceiver relays
awaiting a pre-determined time to receive the information. After
this time (timeout), the master transceiver is an invitation to the
next slave transceiver and slave transceiver that not sent, back to
sleep by the pre-configured time in the same timer. The polling
cycle is repeated indefinitely while the network remains active.
4.3 Description of Messages Exchange
In this topic will be described the algorithm that involves the
exchange of messages, divided into 3 stages: communication
master with slave; communication slave with master, and the
supervisory with the master. For detection and control of
collisions of data, it is used the protocol CSMA-CA (Carrier
Sense Multiple Access with collision Avoidance), native of the
IEEE 802.15.4 standard.
4.3.1 Communication Between Master and
Slave
The package of data transmitted by the master, in broadcast,
contains the identifications of the network and the slave. In each
iteration a new identification is distributed until all slaves have
received their identification and communicated with the master,
where a new cycle begins in an infinite loop (Figure 10).
Figure 10 . Master/Slave communication.
4.3.2 Communication Between Slave and
Master
The slave with the identification request receives the packet from
the master, then transmits data from the sensors on broadcast to
the master, together with its identification. This cycle is repeated
indefinitely (Figure 11).
Figure 11. Slave/Master communication.
4.3.3 Communication Between Supervisory
and Master
The supervisory receives the packet from the master, by the
serial port, containing the data of the slave, and make the
separation in accordance with the function of each data package,
presenting the results in the form of graphs and variations of
desired values (Figure 12).
Figure 12 – Supervisory/Master communication.
5. RESULTS
For the performance evaluation of the WSN software manager,
was analyzed the following parameters: energy consumption of
slave transceivers, coexistence between the networks of standard
IEEE 802.11g and IEEE 802.15.4, the reliability of the
communication link in respect to the rate of Package errors (PER
- Packet Error Rate).
5.1 Energy Consumption Evaluation of the
Slaves Transceivers
As the optimization of energy consumption is a basic goal for
any wireless application, a simple strategy was developed to
save energy only for the communication modules of slaves, since
the implementation of the master transceiver is powered by the
same source that feeds the PLC which consists of solar panel
with rechargeable batteries.
For the power source of slave transceivers, was used a set of 4
batteries Ni-Mh 2500 mAh and 1.2 V, connected in series. With
no strategy for saving energy, in continuous mode of
communication, a transceiver spends 40.8 mA according to
measurements made with a digital oscilloscope. The calculation
of the batteries duration can be done in equation (1).
(
)
( )
( )
hLifeTime
mAnsumptionEnsembleCo
mAhePowerSourc
=
(1)
Thus, for the situation of continuous waste of 40.8mA with one
battery, this would have a 61.27 hours duration which is
impractical for the application, even if adding the three other
batteries.
In field application, for Plunger Lift, the time of data acquisition
occurs at intervals of 6 seconds on average, therefore the time
period in which there are no exchange of information between
the transceivers can be used to enable hibernation, decreasing
significantly the consumption of batteries.
Doing the math for 1 second of hibernation, where the
transceiver wastes 2.1 ms for the communication (1.5 ms
transmitting and 0.6 ms receiving) with intervals of 1 second
hibernating, we have 0.22% of total consumption , equivalent to
0.09 mA, which would give autonomy to a battery of 3.17 years.
Considering hibernation of 6 seconds the autonomy reaches 7.13
years for a single battery.
5.2 Testing of Packages Sent in an External
Environment Without Obstacles
The tests were performed on a building for evaluating processes
of measuring flow and BSW - Basic Sediment and Water, in the
LAMP - Laboratory of Analysis and Measurement of Oil,
located in the UFRN - Federal University of Rio Grande do
Norte. Getting thus a good parameter for evaluating the behavior
of this network when installed at the oil elevation method to
which it is intended (Plunger-Lift), for being similar
environments in regard to types of barriers found in them.
The WSN was fitted with three transceivers, where one of them
was the master, connected to a notebook containing the
supervisory , and two slaves (with power of 4 AA batteries of
2500 mAh x 1.2 v each), all packed in boxes anti - explosion,
shown in Figure 13.
Figure 13. WSN in an external environment
The master transceiver sent every 1s a reading order of the slave
transceivers, one at a time, in a total of 5000 packets transmitted.
The initial distance between the master transceiver and the slaves
was 2 meters and the final distance was 50 meters, in an average
of ten measurements taken. All boards had your antennas
directed at each other. According to Table 1, it can be noted that
despite the increased distance and, consequently, decreasing the
power reaching lower levels than the minimum sensitivity of the
receivers, the amount of packets lost was considered within the
standard allowed for the layout under study (1% loss,
maximum).
Table 1: Measurements on external environment with 50
meters with direct target.
Distance (m) Average – Signal
power (dBm)
Packets Lost (%)
02 -61,21 0,01
05 -63,04 0,08
10 -66,38
0,16
20 -78,70
0,30
30 -80,02 0,45
40 -85,30
0,59
50 -78,54
0,74
After these initial measurements, was performed a second
battery of tests, still in the external environment, but with
distances higher than those considered in the previous test and
the transmission of 1000 packets at every 50 meters. The initial
distance between the transceiver and the slave master was 50
meters.
According to [15], the reliability of the communication link can
reach the mark of three hundred meters in the external
environment with direct target, however in testing, at 200 meters
there was a significant loss of transmitted. As the amount of
packets lost was very high for d = 250 meters, five
measurements were performed in the same distance and the
results are shown in Figure 14. The standard deviation calculated
for these five measurements was 25.48%. This value of standard
deviation, combined with the average of packets loss (%) makes
the link of communication inappropriate even for simple
procedures such as monitoring.
Figure 14. Measurements with a 250 m distance.
5.3 Indoor Testing of Packages Sent With
Obstacles
The results in this section were generated inside the LAMP
(Laboratório de Análise e Medição de Petróleo - Laboratory of
Analysis and Measurement of Oil) building, located at UFRN
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte), with similar
procedure to the external environment, however, the main point
was the generation of results between environments, and not
using the distance as a premise; ie, that has been objectified in
these results was to show the degradation of the signal in an
environment with many walls, computers, lockers and people
passing by, which simulates obstacles near the well where the
plunger lift is installed. The distance was a result of the change
in environments where the slave board was located.
Three points of measurement were determined where the results
would be generated. At each point, ten measurements were
performed with the transmission of 5.000 packets each, in a
period of 1 second, approximately.
Figure 15. packets loss (%) in internal environment
(distance ~15m)
In the first two points of measurement (~5m and ~10m), it was
noticed a small packets loss, despite the large amount of
obstacles in the environment. However, as mentioned earlier, the
measurements performed on the third point of measurement
showed significant values of packets loss (Figure 15). In this
kind of environment, the LR-WPAN IEEE 802.15.4 network has
suffered more with the presence of obstacles than in the external
environment, due to problems with multi-ways and reflections.
5.4 Coexistence Test Between IEEE 802.15.4
LR-WPAN, IEEE 802.11b/g and IEEE
802.15.1.
This test refers to the coexistence between networks that use the
default choice here in our study (LR-WPAN IEEE 802.15.4) and
IEEE 802.11b/g standard. The 15, 20, 25 and 26 channels can be
used by the IEEE 802.15.4 standard, since they do not interfere
of IEEE 802.11b/g standard transmissions, and vice versa. All
results were generated from the 25 channel, at 2.425 MHz,
frequency that does not interfere in the transmission of IEEE
802.11b/g standard, and the maximum power transmission in all
transceivers [3].
Used in this test, the same methodology used in [3] where the
IEEE 802.11b/g network access point was maintained at 1 meter
radius of our network at the external environment, obstacles free,
representing the field’s real implementation. The master
transceiver sent, every 1 ms, an order for reading to one of slave
transceivers, a total of 5000 packets transmitted (IEEE 802.15.4)
at the same time, it was done a file downloading (IEEE
802.11b/g), using an Internet connection link at 512 Kpbs. At the
end of the tests, the results were measured and a new battery of
tests was performed, achieving a total of 10 batteries of similar
tests.
As noted in [3], when the IEEE 802.11b/g network was enabled,
it caused little interference with the data traffic from WSN (-30
dBr), causing small packets loss, resulting in a slight increase in
the number the transmission, generating modest increase in
latency of the network IEEE 802.15.4. In our tests, this loss was
less than 1% of total packets transmitted, on average, which
shows the ideal choice of channel 25 for WSN transmission.
When the Wi-Fi was disabled, there was an immediate increase
in stability and a decrease in latency, due to lack of interference
caused by IEEE 802.11b/g network traffic. During the tests,
there was no drop in either of the two networks, and the
packages that were not sent back the WSN were retransmitted
successfully.
For the tests regarding to coexistence with the IEEE 802.15.1
(Bluetooth), it was used the same methodology used previously,
but instead to be performed a download, it was a transmission of
data between two devices (laptop and mobile). Because the IEEE
802.15.1 standard using the technique of spread spectrum, the
IEEE 802.15.4 network at any time has suffered significant
interference.
6. CONCLUSION
From studies and tests performed, it was possible to observe the
viability of the proposed project with regard to information
exchange and management of them. The link of communication
between the wireless boards proved to be reliable in the item lost
packets. As there was no equipment to carry out the
measurement of BER or PER, it was necessary to develop a
system to quantify the data loss of this link, as opposed to use in
different environments, in order to qualify it. The system has
proved robust and reliable in any two environments where it was
tested.
Some of the advantages of the proposed system are the
portability and the fact that the components of the photovoltaic
system are locally commercialized, with dimensions suitable for
implementation in the field, which recharge the batteries that
fuel sensors and transceivers located in wireless slaves modules.
Regarding MC13192 modules, it was performed tests of energy
efficiency and distance tests. Based on these tests there is the
low consumption of these, but will be conducted the same tests
with the modules connected to sensors and actuators. These tests
serve to batteries and/or solar panels dimensioning, which feed
the RF module-sensor system. Then boxes are manufactured for
each system, which should be classified into areas with
explosions risk. Then be tested in field to verify the feasibility of
the project, taking into account these and other changes that
arise.
ACKNOWLEDGMENTS
The completion of this project is only viable due to the financial
incentive of PETROBRAS, as well as Edson Henrique
Bolonhini, Engineer.
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