WirelessBR

Transmissão de dados via rede elétrica
Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina:
DAS 5511: Projeto de Fim de Curso

Gabriel Alan Gehm Marques
Florianópolis, agosto de 2004

Agradecimentos

Esta página é destinada a fazer uma singela homenagem a todos os que de alguma forma ajudaram ou acreditaram nos objetivos deste trabalho, que não termina com a apresentação do projeto de fim de curso, mas tem início nela. Alguns por já me conhecerem pessoalmente ou ao meu trabalho, outros com o objetivo de ajudar a desenvolver tecnologias e empreendimentos inovadores neste país. Espero atender às expectativas daqueles que em mim acreditaram.
Tantas pessoas participaram de alguma forma que não posso citar todos, mas de uma forma muito especial agradeço:
- Ao Augustinho e ao Prof. Barcellos, que têm o mesmo espírito entusiasta, pelo apoio e positivismo com que abraçaram este projeto, mantendo sempre em alta o animo da equipe de desenvolvimento.
- Ao Prof. Daniel, que passou algumas horas revisando minuciosamente esta monografia, e mesmo dando apoio, me manteve com os pés no chão.
- À Franciele, minha namorada, que não me deixava desistir de nada, que me abraçou, me consolou, me apoiou nos momentos difíceis e me ensinou muito sobre amar a vida. É simplesmente minha família aqui em floripa.
- Ao Caiubi, que solucionou nossos problemas com fontes chaveadas, e emprestou um livro [ 10 ] que ainda vou devolver.
- Ao Cirilo, sócio desta empreitada e de trabalhos futuros, nós dois batalhamos lado a lado nos últimos nove meses, e ainda antes, contra realimentados e outros dragões. Ele confiou em mim mais do que eu mesmo em alguns momentos.
- Ao Celso Cavalli, um modelo a ser seguido, com sua visão que vai além de qualquer equipe de engenheiros, e que além de apoio moral patrocinou grande parte do projeto.
- Ao Provin e ao Anderson, que tomaram decisões e criaram conosco, integrantes adicionais da equipe.
- Ao pessoal do Inep, que já está cansado de ouvir as mesmas estórias pedindo pra confeccionar placas de circuito impresso e doar componentes difíceis de achar.
- Ao mestre Melga, que nos permitiu utilizar seu laboratório tantas vezes e nos iluminou com seus conselhos.
- E é claro, a meu pai, Daniel Marques, e minha mãe, Ingrid Gehm, a quem agradeço por nada mais nada menos que a minha vida.

Resumo

A motivação que levou à escolha do tema deste projeto foi a percepção de que os dois maiores obstáculos à automação de residências atualmente são a ausência de suporte à transmissão de sinais e o custo elevado das soluções existentes. Um esforço conjunto de dois alunos de graduação foi realizado na busca e desenvolvimento de várias soluções de automação de baixo custo, dando origem a dois projetos de fim de curso. O trabalho aqui apresentado descreve a implementação de uma tecnologia para a transmissão de informação digital através
da rede elétrica doméstica, como suporte e meio de integração destas soluções.
Os primeiros capítulos descrevem as justificativas da escolha, que levou ao desenvolvimento do sistema denominado TaT, e as dificuldades que foram superadas. A seguir o resultado da coleta de informações sobre tecnologias existentes é apresentado, dando inicio às etapas de desenvolvimento como transmissão de portadoras e codificação de sinais. Terminando com a criação de um protocolo de rede bidirecional e robusto, e a apresentação de resultados finais.
Como o trabalho além de uma pesquisa acadêmica, visa o desenvolvimento de produtos comerciais e aplicações que utilizarão o sistema de transmissão, algumas decisões de projeto foram pragmáticas e visando o mercado.

Sumário

Agradecimentos
Resumo
Sumário
Índice de tabelas e figuras
Simbologia e terminologia
Capítulo 1: Introdução
   1.1: Contexto
   1.2: Justificativa
   1.3: Objetivo
      1.3.1: Metodologia
   1.4: Origens da tecnologia pesquisada
   1.5: Solução buscada
   1.5.1: Forma de abordagem
Capítulo 2: Breve história da transmissão de dados via rede elétrica
   2.1: PLC no Brasil
   2.2: Mercado
      2.2.1: Os competidores
   2.3: Legislação e regulamentações
      2.3.1: Legislação brasileira para PLC
Capítulo 3: O desafio encontrado
   3.1: Tensões elevadas
   3.2: Interferência com eletrodomésticos
   3.3: Meio de transmissão ruidoso
      3.3.2: Fontes chaveadas
      3.3.3: Dimmers
      3.3.4: Fluorescentes compactas
   3.4: Atenuação de Sinal
      3.4.1: Impedância variável
      3.4.2: Indutância elevada dos fios
      3.4.3: Filtros EMC de eletrodomésticos
   3.5: Distorção de sinal
   3.6: Instalações trifásicas
Capítulo 4: Desenvolvimento de um sistema de transmissão via rede elétrica
   4.1: A transmissão de uma portadora
      4.1.1: Recuperação e detecção da portadora
      4.1.2: Avaliação da qualidade de sinal
      4.1.3: Determinação da freqüência
   4.2: Codificação do sinal
      4.2.1: Protocolo DTMF
   4.3: Modulação da portadora
   4.4: Implementação de um par transmissor/receptor
      4.4.1: Diagrama do transmissor
      4.4.2: Diagrama do receptor
   4.5: Uso de um microcontrolador
      4.5.1: Características necessárias
      4.5.2: O microcontrolador escolhido
   4.6: O trabalho de instrumentação
   4.7: Problemas encontrados na implementação do sistema
      4.7.1: Necessidade de sincronia com a rede
Capítulo 5: A segunda geração do sistema de transmissão de dados
   5.1: Definição do campo de aplicação
   5.2: Busca de uma nova codificação
      5.2.1: Diagrama em blocos do codificador
      5.2.2: Simplificando a eletrônica
   5.3: Detecção do sinal
      5.3.1: Diagrama do decodificador
   5.4: Construção dos circuitos
      5.4.1: Diagrama esquemático do decodificador
      5.4.2: Simplificação do receptor
   5.5: Determinação da velocidade de transmissão
      5.5.1: Testes de velocidade
      5.5.2: Limitação da detecção
      5.5.3: Sincronia com o zero
   5.6: Transmissão de bytes
   5.7: Transmissão bidirecional
      5.7.1: Utilização de um display de cristal líquido
      5.7.2: Conclusão da camada física
   5.8: Trabalho de programação
      5.8.1: Utilização dos recursos do microcontrolador
      5.8.2: Estruturação do programa
   5.9: Protocolo de rede
      5.9.1: Protocolo próprio ou padronizado
   5.10: Implementação de um protocolo próprio
      5.10.1: Descrição do protocolo
Capítulo 6: Aplicação do sistema e resultados obtidos
   6.1.1: Contagem de falhas
   6.1.2: O testador de rede
   6.1.3: Estatísticas obtidas
   6.1.4: Confecção do testador
Capítulo 7: Conclusões e Perspectivas
Bibliografia:
Anexo I - Diagrama esquemático do módulo TaT

Capítulo 1: Introdução

Este trabalho descreve a implementação de uma tecnologia para a transmissão de informação digital através da rede elétrica doméstica, como suporte para aplicações de automação residencial de baixo custo.

1.1: Contexto

Através de informações obtidas no decorrer da graduação, soube-se que a construtora Conceito & Moradia, com sede em Curitiba-PR, desejava ingressar no mercado de automação residencial. Foi aberta assim uma possibilidade de mercado para gerar e implantar sistemas para automação residencial para a construtora.
O desenvolvimento de produtos neste ramo exige conhecimentos na área de eletrônica e tratamento eletrônico de sinais, eletrônica digital, microcontroladores e conceitos sobre sistemas de controle e sistemas de informação. Estes tópicos foram amplamente estudados no curso, gerando a motivação para realizar pesquisas e desenvolver produtos.

1.2: Justificativa

Um grande obstáculo à automação de residências é a inexistência de suporte à transmissão de dados e sinais, indispensáveis para esta finalidade, nas casas e prédios construídos até a atualidade.
Este fator exige a implantação de tal suporte em uma construção não projetada para receber instalação adicional de cabos. O que implica na necessidade de quebrar paredes, contratar mão de obra especializada, interromper atividades de ambientes comerciais e grande incômodo para moradores, ou resumidamente, investimento elevado de tempo e dinheiro.
Constatou-se que o desenvolvimento de uma tecnologia capaz de propiciar este suporte com o mínimo possível de intervenção na construção é uma necessidade.

1.3: Objetivo

As alternativas disponíveis para transmissão de dados sem instalação de cabos e conduites adicionais são as comunicações via rádio (wireless), via rede telefônica ou via rede elétrica.
Como se deseja criar futuramente uma pequena empresa, capaz de fabricar e possivelmente instalar o suporte à automação, o custo dos dispositivos realizadores da tarefa foi bastante ponderado, e a conclusão final foi a de que a tecnologia de melhor custo-benefício é a de transmissão de dados via rede elétrica.
O objetivo deste trabalho consiste em desenvolver uma tecnologia que sirva de base para aplicações que necessitam de transmissão de dados e sinais em ambientes não projetados para tal finalidade, utilizando a rede elétrica como meio de transporte.
As taxas de transmissão que se deseja alcançar são baixas, suficientes apenas para atender soluções simples de automação residencial, como controle de iluminação, aquecimento, portões, alarmes e medições.
Desta forma é possível atender ao objetivo secundário do trabalho: produzir dispositivos para automação residencial a um preço competitivo, com um custo de desenvolvimento viável.

1.3.1: Metodologia

Para o desenvolvimento deste trabalho foi necessário buscar conhecimento sobre as tecnologias já existentes no setor, e informação sobre quais os pontos em que seria melhor investir.
Para este propósito foi montado um pequeno laboratório com os equipamentos e materiais já disponíveis, acumulados em função de um hobbie, para dar início à pesquisa.
A metodologia adotada foi a de realizar ciclos de desenvolvimento, cada um iniciando com uma definição de um objetivo, pesquisa da solução, projeto e implementação e finalmente, experimentação.

1.4: Origens da tecnologia pesquisada

É bem provável que em uma residência comum, não preparada para suportar sistemas de automação, existam tomadas e cabos elétricos em todos os cômodos, e em vários pontos dentro de cada sala, quarto, garagem.
Este fator foi percebido por muitas empresas nos últimos anos, e estas passaram a mudar seu foco que era na rede pública de distribuição, da subestação ao contador das casas, para o interior destas [ 2 ]. Tais empresas começaram então a desenvolver produtos para duas áreas distintas:
· Interconexão de computadores, acesso à internet e comunicação de computadores pessoais com periféricos como telas de TV e caixas de som para entretenimento. Estas aplicações têm em comum as
tecnologias empregadas e velocidades de transmissão.
· Controle de itens como lâmpadas, aplicações específicas, climatização, sistemas de alarme e simulação de presença, controle de regadores e cisternas. Aplicações que utilizam taxas de transferência baixas, dados
esporádicos, e maior robustez. [ 2 ]
Desde 1978 a rede de lojas Radio Shack vende um sistema denominado X10, que consiste de uma central de controle e vários módulos, cada um contendo duas chaves de 16 posições através das quais é possível definir um número para cada um, ligá-lo a uma tomada e a ele o dispositivo que se deseja controlar.
Após o pioneirismo da X10 Ltda., de Hong Kong, algumas outras têm surgido com produtos similares, estas serão discutidas no decorrer deste documento.

1.5: Solução buscada

As tecnologias empregadas na transmissão de dados via rede elétrica são derivadas diretas das pesquisas na área de telecomunicações, e utilizam portadoras de alta freqüência para carregar a informação desejada.
Algumas usam um amplo espectro de portadoras, o que permite altas taxas de transmissão, mas a um custo mais alto e maior sensibilidade a ruídos e distorções, além de problemas com a regulamentação de transmissões de radiofreqüência.
Outras empresas investiram em uma portadora única, ou uma faixa restrita de freqüências, menos susceptíveis à interferência, utilizando uma miríade de protocolos de modulação e de rede.
A exemplo da X10 Ltda., que utiliza uma portadora única de 120kHz e com base em pesquisas bibliográficas decidiu-se que a melhor solução seria a utilização de apenas uma ou duas portadoras, e como protocolo de modulação, buscou-se inicialmente alguma tecnologia já documentada.

1.5.1: Forma de abordagem

Como este projeto foi realizado sob a forma de ciclos de desenvolvimento, cada um consistindo de uma meta para o avanço do produto a ser criado, a apresentação dos trabalhos realizados consistirá inicialmente do detalhamento dos problemas a serem enfrentados, ainda que estes tenham sido descobertos no decorrer do desenvolvimento, e então uma descrição cronológica de cada etapa cumprida.

(*) Sobre o autor:

Gabriel Alan Gehm Marques (gabriel.marques@gmail.com)  é engenheiro de controle e automação industrial (UFSC 2004) e trabalha atualmente no setor de Convergência Digital do Instiuto Sapientia.
Durante a graduação trabalhou com projetos de monitoramento ambiental, web services e transmissão de dados via rede elétrica, e profissionalmente atuou com pesquisa e desenvolvimento de produtos de eletrônica microprocessada e redes industriais.
Atualmente é integrante do projeto INSTINCT (http://www.ist-instinct.org/), onde atua no desenvolvimento de aplicações para TV Digital utilizando Bluetooth e GPRS como canal de retorno, assim como em projetos de aplicações corporativas para smatphones.
Principais áreas de interesse técnico: telefonia móvel, tecnologia Java (J2SE, J2ME, JavaTV principalmente), eletrônica embarcada, automação residencial e PLC.