INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA SERVIO DE DOCUMENTAO E PUBLICAES

ISEL

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA

rea Departamental de Engenharia de Electrnica e Telecomunicaes e de Computadores

SISTEMA DE CONTAGEM DE TRFEGO E CLASSIFICAO AUTOMTICA DE VECULOS, EM TEMPO REAL E SEM FIOS

PIERRE MICHEL HENRI GHISLAIN (BACHAREL)

Trabalho final de Mestrado para Obteno do Grau de Mestre em Engenharia de Electrnica e Telecomunicaes

Vogal orientador: Prof. Antnio Joo Nunes Serrador

Vogal co-orientador: Eng. Duarte Miguel Fusco Carona

Presidente do Jri: Prof. Mrio Pereira Vstias

Vogal arguente: Prof. Ezequiel Augusto Cacho Conde

Vogal arguente: Eng. Jorge Lopes

Novembro 2011

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA SERVIO DE DOCUMENTAO E PUBLICAES

ISEL

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA

rea Departamental de Engenharia de Electrnica e Telecomunicaes e de Computadores

SISTEMA DE CONTAGEM DE TRFEGO E CLASSIFICAO AUTOMTICA DE VECULOS, EM TEMPO REAL E SEM FIOS

PIERRE MICHEL HENRI GHISLAIN (BACHAREL)

Trabalho final de Mestrado para Obteno do Grau de Mestre em Engenharia de Electrnica e Telecomunicaes

Vogal orientador: Prof. Antnio Joo Nunes Serrador

Vogal co-orientador: Eng. Duarte Miguel Fusco Carona

Presidente do Jri: Prof. Mrio Pereira Vstias

Vogal arguente: Prof. Ezequiel Augusto Cacho Conde

Vogal arguente: Eng. Jorge Lopes

Novembro 2011

i

Agradecimentos

Agradeo o seguimento semanal e o apoio do orientador desta tese, Prof. Antnio Serrador.

Agradeo o apoio permanente do co-orientador desta tese, Eng. Duarte Carona.

Agradeo o apoio prestado pelo representante da Brisa Inovao, Eng. Jorge Lopes.

Agradeo aos meus colegas Mrio Lopes, Filipe Palhinha e Pedro Ferreira pela

disponibilidade e empatia no decorrer dos nossos testes e trabalhos em equipa.

Agradeo Dr. Paulo Silva e Eng. Tec. Manuel Santos do apoio que me deram na reviso

deste relatrio.

iii

Resumo

Esta tese tem por objectivo o desenho e avaliao de um sistema de contagem e

classificao de veculos automveis em tempo-real e sem fios. Pretende, tambm, ser uma

alternativa aos actuais equipamentos, muito intrusivos nas vias rodovirias. Esta tese inclui

um estudo sobre as comunicaes sem fios adequadas a uma rede de equipamentos

sensores rodovirios, um estudo sobre a utilizao do campo magntico como meio fsico

de deteco e contagem de veculos e um estudo sobre a autonomia energtica dos

equipamentos inseridos na via, com recurso, entre outros, energia solar. O projecto

realizado no mbito desta tese incorpora, entre outros, a digitalizao em tempo real da

assinatura magntica deixada pela passagem de um veculo, no campo magntico da Terra,

o respectivo envio para servidor via rdio e WAN, Wide Area Network, e o desenvolvimento

de software tendo por base a pilha de protocolos ZigBee. Foram desenvolvidas aplicaes

para o equipamento sensor, para o coordenador, para o painel de controlo e para a

biblioteca de Interface de um futuro servidor aplicacional. O software desenvolvido para o

equipamento sensor incorpora ciclos de deteco e digitalizao, com pausas de

adormecimento de baixo consumo, e a activao das comunicaes rdio durante a fase de

envio, assegurando assim uma estratgia de poupana energtica. Os resultados obtidos

confirmam a viabilidade desta tecnologia para a deteco e contagem de veculos, assim

como para a captura de assinatura usando magnetoresistncias. Permitiram ainda verificar o

alcance das comunicaes sem fios com equipamento sensor embebido no asfalto e

confirmar o modelo de clculo da superfcie do painel solar bem como o modelo de consumo

energtico do equipamento sensor.

Palavras-chave

Contagem e classificao de veculos, IEEE802.15.4, ZigBee, Magnetmetro, Sensor

Inteligente Rodovirio.

iv

Abstract

The aim of this thesis is the design and evaluation of a vehicle counting and classification

system, in real-time and over wireless communications, thus resolving the current problems

of nowadays intrusive road sensors. The thesis covers the study of the wireless

communications suitable for a network of road sensors, the magnetic field as a physical

mean of vehicle detection and classification, and the study of energy autonomy for the

equipment placed on the road, using, among others, solar energy. It is also the subject of

study the real-time scanning of the magnetic signature left by a passing vehicle in the Earth's

magnetic field and its radio transmission to a server. The development focused on the

software, the ZigBee protocol Stack and the system on a chip cc2530. Applications have

been built for the road sensor, the coordinator, the control panel and an interface library

designed for a future application server. The software developed for the road sensor

incorporates duty cycles for detection and digitalization, followed by low energy pauses, and

activation of the radio communications only during the data transfer, thus ensuring an energy

saving strategy. The results obtained confirm the possibility using this technology for vehicle

detection, counting and signature capture using magneto-resistance. Also allowed

verification of the range of wireless communications for the road sensor embedded in asphalt

and confirms the models for calculating the surface of the solar panel and for the energy

consumption of the road sensor.

Keywords

Vehicle counting and classification, IEEE802.15.4, ZigBee, Magnetometer, Intelligent Road

Sensor.

v

ndice Geral

AGRADECIMENTOS _________________________________________________________________________ I

RESUMO _______________________________________________________________________________ III

PALAVRAS-CHAVE ________________________________________________________________________ III

ABSTRACT ______________________________________________________________________________ IV

KEYWORDS _____________________________________________________________________________ IV

LISTA DE FIGURAS ________________________________________________________________________ VII

LISTA DE TABELAS ________________________________________________________________________ IX

ACRNIMOS ____________________________________________________________________________ XI

1 INTRODUO __________________________________________________________________________ 1

1.1 O PROBLEMA _________________________________________________________________________ 1

1.2 OBJECTIVOS _________________________________________________________________________ 2

1.3 MOTIVAES _________________________________________________________________________ 2

1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAO _____________________________________________________________ 3

2 ESTADO DA ARTE ______________________________________________________________________ 5

2.1 SOLUES EXISTENTES _________________________________________________________________ 5

2.2 COMUNICAES SEM FIOS DE BAIXO DBITO BINRIO ____________________________________________ 10

2.2.1 Faixa de frequncia ISM __________________________________________________________ 12

2.2.2 IEEE 802.15.4 __________________________________________________________________ 13

2.2.3 ZigBee Alliance _________________________________________________________________ 13

2.2.4 6loWPAN ______________________________________________________________________ 15

2.2.5 IEEE 802.15.5 __________________________________________________________________ 16

2.2.6 WirelessHART __________________________________________________________________ 16

2.2.7 ISA100.11a ____________________________________________________________________ 16

2.2.8 Critrios de seleco _____________________________________________________________ 17

2.3 O MAGNETISMO PARA A DETECO DE VECULOS _______________________________________________ 17

2.3.1 Tecnologia _____________________________________________________________________ 17

2.3.2 Insgnia de barbeiro ______________________________________________________________ 19

2.3.3 Magnetoresistncia anisotrpica ____________________________________________________ 23

2.4 ALIMENTAO SOLAR __________________________________________________________________ 25

2.4.1 Modelo para o clculo da superfcie do painel solar _____________________________________ 25

2.4.2 Determinao da potncia mnima captvel ___________________________________________ 26

3 SOLUO ____________________________________________________________________________ 29

3.1 ESQUEMA BLOCO DA SOLUO ___________________________________________________________ 29

3.2 ARQUITECTURA ______________________________________________________________________ 30

3.2.1 Estimativa do consumo energtico __________________________________________________ 33

3.2.2 Anlise de desempenho: complexidade ______________________________________________ 34

3.2.3 Arquitectura P Mestre ___________________________________________________________ 35

3.3 COMPONENTES ______________________________________________________________________ 37

3.3.1 Mdulos ZigBee _________________________________________________________________ 37

vi

3.3.2 Magnetmetro __________________________________________________________________ 42

3.3.3 Antena ________________________________________________________________________ 44

3.3.4 Invlucro ______________________________________________________________________ 46

3.4 MODELO DE CONSUMO ENERGTICO _______________________________________________________ 47

3.4.1 Simulaes ____________________________________________________________________ 47

3.4.2 Consumo mximo _______________________________________________________________ 50

3.4.3 Dimenso do painel solar _________________________________________________________ 50

3.4.4 Circuito de adaptao de voltagem de entrada _________________________________________ 51

3.4.5 Acumulador ____________________________________________________________________ 52

3.4.6 hipercondensador _______________________________________________________________ 53

3.4.7 Pilhas _________________________________________________________________________ 54

4 IMPLEMENTAO _____________________________________________________________________ 57

4.1 PROTOCOLO APLICACIONAL ______________________________________________________________ 57

4.2 ARQUITECTURA DE FIRMWARE DO CC2530 ___________________________________________________ 57

4.3 GESTO DE ENERGIA __________________________________________________________________ 59

4.4 ANLISE DO FIRMWARE _________________________________________________________________ 59

4.5 ALGORITMOS ________________________________________________________________________ 61

5 RESULTADOS _________________________________________________________________________ 69

5.1 MAGNETMETRO _____________________________________________________________________ 69

5.2 TESTES DE COMUNICAES EM LINHA DE VISTA ________________________________________________ 72

5.3 INSERO NUM TUBO DEBAIXO DO ASFALTO __________________________________________________ 74

5.4 ATENUAO DE MATERIAIS UTILIZVEIS PARA A JANELA __________________________________________ 75

5.5 NGULO DE INCLINAO ________________________________________________________________ 76

5.6 CAPTURA DE ASSINATURAS ______________________________________________________________ 78

5.7 OCUPAO DO CANAL DE COMUNICAES ___________________________________________________ 84

5.8 AUTONOMIA ENERGTICA _______________________________________________________________ 84

5.9 MELHORIAS PROPOSTAS ________________________________________________________________ 86

6 CONCLUSES ________________________________________________________________________ 95

ANEXOS ______________________________________________________________________________ 101

A. INFLUNCIA DA POSIO DO CAPTOR SOLAR ________________________________________________ 101

B. POTNCIA DE UM HIPERCONDENSADOR ___________________________________________________ 104

D. PROTOCOLO APLICACIONAL ___________________________________________________________ 105

E. NORMA IEEE 802.15.4 ______________________________________________________________ 108

BIBLIOGRAFIA _________________________________________________________________________ 123

vii

Lista de Figuras

FIG. 2-1 CONJUNTOS DIVERSOS DE EQ-SENSORES RODOVIRIOS E LIGAES _________________________________ 5

FIG. 2-2 EQ-SENSOR C/ MAGNETORESISTNCIAS 3 EIXOS, COMUNICAES SEM FIOS, ALIMENTADO P/ BATERIAS [12] _____ 7

FIG. 2-3 EQ-SENSOR C/ MAGNETMETRO, COMUNICAES SEM FIOS, ALIMENTADO COM PAINEL SOLAR [13] ___________ 8

FIG. 2-4 EQ-SENSOR C/ MAGNETMETRO, COMUNICAES SEM FIOS, ALIMENTADO POR BATERIAS [14] _______________ 8

FIG. 2-5 EQ-SENSOR C/ VEHICLE MAGNETIC IMAGING, COMUNICAES SEM FIOS, ALIMENTADO POR BATERIAS [15] ______ 9

FIG. 2-6 INSGNIA DE BARBEIRO. _______________________________________________________________ 20

FIG. 2-7 ORDENAO DOS DOMNIOS MAGNTICOS DOS FILMES DE PERMALLOY COM SET / RESET _________________ 24

FIG. 3-1 BLOCOS LGICOS DA SOLUO DO EQ-SENSOR ______________________________________________ 29

FIG. 3-2 ARQUITECTURA P MESTRE ____________________________________________________________ 36

FIG. 3-3 MODIFICAO DO CMT PELA PASSAGEM DE UM VECULO [27] ____________________________________ 43

FIG. 3-4 ANTENA COMPACTA FRACTAL DE ALTO RENDIMENTO [30] ________________________________________ 44

FIG. 3-5 PLACA COM ADAPTAO DE IMPEDNCIA PARA A ANTENA [30] ____________________________________ 45

FIG. 3-6 DIAGRAMAS DE RADIAO DO MDULO COM A ANTENA FRACTAL [31] _______________________________ 45

FIG. 3-7 REPRESENTAO CONCEPTUAL DO INVLUCRO DO EQ-SENSOR ___________________________________ 46

FIG. 3-8 INFLUNCIA DO TRFEGO NO CONSUMO ____________________________________________________ 48

FIG. 3-9 INFLUNCIA DA DIMENSO DO VECULO NO CONSUMO __________________________________________ 49

FIG. 3-10 INFLUNCIA DO NMERO DE AMOSTRAS E DA VELOCIDADE NO CONSUMO ____________________________ 50

FIG. 3-11 CURVA DE POTNCIA DE SADA DE UMA CLULA SOLAR _________________________________________ 51

FIG. 3-12 BLOCO DE ALIMENTAO SOLAR COM ACUMULADOR NIMH _____________________________________ 52

FIG. 3-13 USO DE HIPERCONDENSADOR PARA A ALIMENTAO SEM INTERRUPO DO EQ-SENSOR _________________ 53

FIG. 4-1 SISTEMA OPERATIVO DO CC2530 COM STACK ZIGBEE _________________________________________ 58

FIG. 4-2 MOTOR DE ESTADO PARA AS SOB TAREFAS DA APLICAO _______________________________________ 60

FIG. 4-3 DETECO DO INCIO DE VECULO ________________________________________________________ 61

FIG. 4-4 ESTIMATIVA DA VELOCIDADE E ADAPTAO DA FREQUNCIA DE AMOSTRAGEM _________________________ 64

FIG. 4-5 DETECO DO FIM DO VECULO __________________________________________________________ 64

FIG. 5-1 TESTE DE COMUNICAES EM LINHA DE VISTA _______________________________________________ 72

FIG. 5-2 EFEITO DO DESVANECIMENTO DE CURTO E LONGO ALCANCE ______________________________________ 73

FIG. 5-3 TESTE DE ATENUAO DO SINAL COM TAMPA DE ACRLICO, VIDRO E ASFALTO __________________________ 75

FIG. 5-4 NGULO DE INCLINAO PARA A ANTENA DO COORDENADOR _____________________________________ 76

FIG. 5-5 CAPTURA DE ASSINATURA NO SENTIDO DA MARCHA, CARRO BMW, VELOCIDADE 30 KM/H _________________ 78

FIG. 5-6 CAPTURA DE ASSINATURA NO SENTIDO DA MARCHA, CARRO BMW, VELOCIDADE 50 KM/H _________________ 79

FIG. 5-7 CAPTURA DE ASSINATURA COM SENSOR A 90, EM MARCHA EM FRENTE ______________________________ 79

FIG. 5-8 CAPTURA DE ASSINATURA COM SENSOR A 90, EM MARCHA A TRAZ _________________________________ 80

FIG. 5-9 MEDIDAS COM CARRO CITRON C3 _______________________________________________________ 81

FIG. 5-10 MEDIDAS COM CARRO BMW DESPORTIVO _________________________________________________ 82

FIG. 5-11 MEDIDAS COM MODIFICAO DE ALTURA DO SENSOR __________________________________________ 82

FIG. 5-12 MEDIDAS COM DUAS DIRECES ORTOGONAIS DE SENSIBILIDADE MAGNTICA ________________________ 83

FIG. 5-13 MEDIDAS COM DUAS DIRECES ORTOGONAIS, ASSINATURAS DIVERSAS ____________________________ 84

FIG. 5-14 COMPARAO DA TAXA DE POUPANA ENERGTICA DOS FIRMWARE _______________________________ 86

FIG. 5-15 EQ-SENSOR DE BAIXO CONSUMO, COM SENSOR DE UM EIXO MAGNTICO ____________________________ 89

FIG. 5-16 ACCESS POINT COM O COORDENADOR ZIGBEE E UM MDULO DE COMUNICAES DE DADOS MVEIS ________ 91

viii

FIG. 5-17 REPRESENTAO IDEALIZADA __________________________________________________________ 93

FIG. A-1 INFLUNCIA DA POSIO DO CAPTOR SOLAR ________________________________________________ 103

FIG. E-2 INSERO NO MODELO OSI DA IEEE802.15.4 ______________________________________________ 108

FIG. E-3 CONCEITO DAS PRIMITIVAS DE SERVIO __________________________________________________ 108

FIG. E-4 MODULAO O-QPSK DE 2 PORTADORAS SINUSOIDAIS E ORTOGONAIS DE 32 CHIP IGUAIS A 4 BITS DE DADOS 110

FIG. E-5 COMPARAO DA ASSOCIAO DE CANAIS ENTRE AS NORMAS IEEE802.11 E IEEE802.15.4 ______________ 110

FIG. E-6 TOPOLOGIAS OFERECIDAS PELA IEEE802.15.4 ______________________________________________ 112

FIG. E-7 ESTRUTURA DE SUPERTRAMA SNCRONA DO IEEE802.15.4 _____________________________________ 113

FIG. G-8 PADRO TPICO DA RADIAO DIRECTA E DIFUSA TOTAL DIRIA EM LISBOA [51] _______________________ 116

FIG. G-9 FACTOR DE OCULTAO DO EQ-SENSOR PELO TRFEGO RODOVIRIO ______________________________ 118

FIG. G-10 ESTADO DA ARTE NA INVESTIGAO DE CLULAS FOTOVOLTAICO [54] ____________________________ 119

ix

Lista de Tabelas

TAB. 2-1 NORMA DE REDES SEM FIOS PARA EQ-SENSORES ........................................................................................... 11

TAB. 2-2 PROJECO DO NMERO DE BYTES NECESSRIOS PARA A ASSINATURA DE VECULOS ......................................... 12

TAB. 2-3 PERFIS ZIGBEE ALLIANCE. [17] .................................................................................................................... 14

TAB. 2-4 TIPO DE MAGNETMETROS E GAMA DE UTILIZAO [25] .................................................................................. 18

TAB. 2-5 MODELO DE CLCULO DA SUPERFCIE DE UM CAPTOR SOLAR ........................................................................... 26

TAB. 2-5 RENDIMENTO TOTAL DE CONVERSO ............................................................................................................. 26

TAB. 3-1 CONSUMO ENERGTICO DOS DIFERENTES BLOCOS DO EQ-SENSOR .................................................................. 33

TAB. 3-2 AVALIAO DA COMPLEXIDADE DAS ARQUITECTURAS ...................................................................................... 34

TAB. 3-3 CUSTO DOS SISTEMAS DE DESENVOLVIMENTO E LICENCIAMENTO DO STACK ZIGBEE .......................................... 38

TAB. 3-4 FORNECEDORES DE COMPONENTES ZIGBEE ................................................................................................. 39

TAB. 3-5 MICROPROCESSADORES DOS MDULOS ZIGBEE ............................................................................................ 39

TAB. 3-6 CONSUMOS DE ENERGIA MODO ACTIVO E ADORMECIDO .................................................................................. 40

TAB. 3-7 FAMLIA DE COMPONENTE ZIGBEE DA TEXAS INSTRUMENTS ............................................................................ 41

TAB. 3-8 LISTA DOS FORNECEDORES DE MAGNETMETRO ........................................................................................... 42

TAB. 3-9 MODELO DE CONSUMO ENERGTICO PARA A ARQUITECTURA P MESTRE .......................................................... 47

TAB. 3-10 SUPERFCIE DE CAPTAO SOLAR PARA O EQ-SENSOR .................................................................................. 51

TAB. 3-11 TECNOLOGIAS DE ACUMULADORES ............................................................................................................. 52

TAB. 3-12 DIMENSIONAMENTO DO BLOCO DE HIPERCONDENSADOR ............................................................................... 53

TAB. 3-13 DIMENSIONAMENTO DE UM BLOCO DE PILHAS NO RECARGVEIS.................................................................... 54

TAB. 4-1 COMANDOS DO PROTOCOLO APLICACIONAL DA REDE SEM FIOS ........................................................................ 57

TAB. 4-2 PREAMBULO DE TRANSPORTE PARA A FRAGMENTAO DAS TRAMAS DE ASSINATURAS ....................................... 65

TAB. 5-1 MEDIDAS DE TAXA DE PERDA DE PACOTES EM FUNO DA DISTNCIA................................................................ 73

TAB. 5-2 ENSAIOS DE ATENUAO DAS COMUNICAES EM TUBOS SUBTERRNEOS ........................................................ 74

TAB. 5-3 MEDIDAS DE ATENUAO DO SINAL 2,4 GHZ ATRAVS DIVERSOS MATERIAIS ..................................................... 75

TAB. 5-4 MEDIDAS DE ATENUAO COM NGULO DE INCLINAO DO COORDENADOR ....................................................... 76

TAB. 5-5 LINK BUDGET UPLINK ENTRE O EQ-SENSOR E O COORDENADOR ........................................................................ 77

TAB. 5-6 OCUPAO DO CANAL DE COMUNICAES ..................................................................................................... 84

TAB. 5-7 MEDIDAS DE CONSUMO ENERGTICO COM O FIRMWARE MULTI PRECISO .......................................................... 85

TAB. 5-8 MEDIDAS DE CONSUMO ENERGTICO COM FIRMWARE POWER_SAVING ........................................................ 85

TAB. 5-9 LISTA DE PRODUTOS ................................................................................................................................... 93

TAB. D-1 TRAMA SIGNATURE, SENTIDO EQ-SENSOR PARA SA ................................................................................ 105

TAB. D-2 CAMPOS DA TRAMA SIGNATURE ............................................................................................................ 105

TAB. D-3 TRAMA STATUS, BISENTIDO EQ-SENSOR SA ............................................................................................. 106

TAB. D-4 CAMPO TRAMA STATUS .......................................................................................................................... 106

TAB. D-5 TRAMA CONFIG, SENTIDO EQ-SENSOR PARA SA ....................................................................................... 106

TAB. D-6 CAMPOS TRAMA CONFIG ........................................................................................................................ 107

TAB. E-7 PONTOS DE ACESSO AOS SERVIOS .......................................................................................................... 109

TAB. E-8 CANAIS E FREQUNCIAS DA NORMA IEEE802.15.4 ....................................................................................... 109

TAB. E-9 LISTA DAS PRIMITIVAS DE SERVIO OFERECIDAS PELO MLME-SAP DA IEEE802.15.4 .................................... 113

TAB.G-10 DISTRIBUIO DIRIA DA TAXA DE LUZ DIRECTA E INDIRECTA ........................................................................ 117

TAB. I-11 ATENUAO DO SINAL RDIO POR UM DIELECTICO DE 1 CM ........................................................................... 121

x

Lista de smbolos

Bs Campo magntico aplicado em Gauss

D Distncia parametrizada entre o incio da deteco do veculo e o primeiro

extremo, mnimo ou mximo, da assinatura magntica

fa Frequncia de amostragem de deteco

fd Frequncia de amostragem de digitalizao

G Ganho de amplificao

GND Massa elctrica da alimentao (ground)

N Norma vectorial do campo magntico detectado

NA Nmero e amostras por metro de cumprimento do veculo

Pc Potncia captvel que corresponde a Pr menos as perdas

PHc Potncia recupervel dum hipercondensador com uso de um DC-DC

Pn Potncia necessria definida pelo modelo de consumo do equipamento sensor

Pr Potncia de radiao solar no local e ms de menor insolao

R Resistncia de um elemento da ponte de Wheatstone do sensor

S Sensibilidade magntica em mV/V/Gauss

Sup Superfcie mnima que prope o modelo em m2

VCC Voltage Common Collector alimentao em tenso

Vdif Tenso diferencial entre os dois pontos de sada Vout1 e Vout2

Vesti Velocidade estimada

Vmax Velocidade mxima para obteno da definio de digitalizao

Vmin Tenso diferencial mnima, bias mnimo

Vout1 e Vout2 Tenses de sada da ponte de Wheatstone

xi

Acrnimos

3G Third Mobile Phone Generation

6loWPAN IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks

ACK Acknowledge

AES Advance Encryption Security

AmpOp Amplificador operacional

AMR Anisotropic Magneto Resistance (ver MRA)

API Application Programming Interface

ASK Amplitude Shift Keying

BLE Bluetooth Low Energy

BPSK Binary Phase Shift Keying

CAP Contention Access Period

CCA Clear Channel Assessment

CFP Contention Free Period

CMT Campo Magntico Terrestre

P Central Processing Unit

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance

DC/DC Direct Current to Direct Current

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

ED Energy Detection

ETSI European Telecommunications Standards Institute

Eq-sensor Equipamento sensor

FCS Field Check Sum

FS Full Scale

FFD Full Function Devices

GPRS General Packet Radio Service

GTS Guaranteed Time Slot

HAL Hardware Abstraction Layer

HART Highway Addressable Remote Transducer Protocol

I2C Inter-Integrate Circuit

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IETF Internet Engineering Task Force

ISM Industry, Security and Medical

Ldv Linha de vista

Li-ion ons de Ltio

LQI Line Quality Indicator

LR-WPAN Low Rate Wireless Personal Area Network

MAC Media Access Control

MIC Message Integrity Code

MPP Maximum Power Point

MRA Magnetoresistncia anisotrpica

NA Nmero de amostras

NiCd Nquel cdmio

xii

NiMH Nquel hidreto metlico

O-QPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying

OSAL Operating System Abstraction Layer

OSI Open System Interconnection

PHY Physical Layer in OSI model

PIER Potncia Isotrpica Equivalente Radiada

PM0/1/3 Power Mode 0 ou 1, 2, 3

PN Pseudo Noise (pseudo rudo)

PSSS Parallel-Sequence Spread Spectrum

PVGIS Photovoltaic Geographical Information System

RFD Reduced Function Devices

ROLL Routing Over Low power and Lossy networks

S11 Parmetro S, perda de retorno do sinal RF de entrada

SA Servidor Aplicacional

SAP Services Access Point

Si Silcio

SMA SubMiniature version A

SNR Signal to Noise Ratio

SO Sistema Operativo

SPI Serial Peripheral Interface

SoC System on a Chip

Squid Superconducting QUantum Interference Device

SRD Short Range Device

VSWR Voltage Standing Wave Ratio

Wibree Bluetooth Low Energy

WiFi Wi-Fi Alliance, redes sem fios para computadores

WPAN Wireless Personal Area Network

ZAF Zigbee Application Framework

Introduo

1

1 Introduo

1.1 O Problema

A deteco, contagem e identificao de veculos uma funo que desde sempre

interessou as empresas e entidades ligadas a gesto de rodovias. Com eq-sensores,

equipamentos sensores, possvel gerar e guardar dados sobre a evoluo do trfego

automvel. Com os dados obtidos, possvel prever o crescimento mdio do trfego, as

suas variaes na globalidade e por classe de veculos, consoante as horas do dia, o dia da

semana, o perodo do ano, o local de medio, entre outros parmetros.

O trfego apresenta variaes derivadas de mltiplos factores tais como: condies

atmosfricas, acidentes, greves, obras na via ou ainda os recorrentes picos associados ao

movimento pendular, perodos festivos, feriados, fim-de-semana, entre outros. O caracter

aleatrio de alguns destes factores implica o recurso a sistemas automticos de recolha de

dados, para uma contagem exacta e pormenorizada do volume de trfego.

As redes de eq-sensores permitem fornecer dados fiveis em tempo real e desencadear

aces correctivas quando so detectados bloqueios, anomalias ou situaes de perigo.

A contagem de veculos proporciona dados sobre um fluxo indiscriminado. certo que esta

j uma informao de grande valor, mas a distino entre as vrias classes de veculos,

tais como ligeiros, passageiros, mistos de mercadorias, vans, camies e semi-remoque ,

igualmente, uma informao importante porque relevante para a estimativa dos perodos

de manuteno e intervenes na via, assim como informativo das suas condies de

utilizao.

O ideal seria poder discriminar completa e automaticamente, o trfego de veculos em

classe, marca, modelo, nmero de eixos, classe de portagem e dimenses.

Actualmente, para realizar esta operao, no existem meios automticos e de baixo custo

que, simultaneamente, funcionem sem interrupo durante vrios anos e sejam de fcil

instalao e manuteno. O preenchimento desta lacuna o objecto de estudo desta tese.

Introduo

2

1.2 Objectivos

Hoje em dia, os concessionrios rodovirios utilizam vrias solues tcnicas que permitem

contar os veculos e separar o trfego, baseando-se na deteco do nmero de eixos dos

veculos.

Esta tese visa avaliar a exequibilidade da realizao de um eq-sensor energeticamente

autnomo, de baixo custo e de pequena dimenso. Este eq-sensor deve efectuar a

contagem de veculos em tempo real e digitalizar a assinatura magntica da passagem do

veculo no CMT, campo magntico terrestre. Deve ainda enviar estes dados para o SA,

servidor aplicacional.

1.3 Motivaes

A tecnologia dos sensores acompanhou a diminuio de dimenso e do consumo energtico

dos processadores e dos transceivers rdio. Hoje em dia os SoC, System on a Chip,

permitem digitalizar valores em tenso, processar informao e utilizar uma interface de

comunicaes sem fios.

No campo dos magnetmetros, os sensores que utilizavam campos magnticos gerados

artificialmente, recorrem agora ao uso de filmes finos de Permalloy cuja resistncia

apresenta variaes em funo da intensidade e direco das fluctuaes do CMT. Esta

realidade veio permitir o aparecimento de aplicaes de baixo consumo energtico.

As LR-WPAN, Low Rate Wireless Personal Area Network, com grande resistncia ao rudo,

utilizam uma tecnologia muito avanada que tem uma aplicao relevante neste projecto.

Tive, pessoalmente, a oportunidade de trabalhar com solues de RFID, radio frequency

identification, que permitem identificar pessoas ou objectos, recolher dados de sensor e

enviar esta informao, recorrendo a comunicaes sem fios, a leitores ligados a uma rede

local. O alcance destas solues de poucos metros e apresentam uma taxa de erro

elevada. A capacidade de processamento das etiquetas activas RFID dedicada funo

de identificao e apresentam-se como sistemas fechados.

Com esta tese, pretendo aprofundar o meu conhecimento sobre LR-WPAN apliacadas ao

mundo dos sensores e das normas estandardizadas e abertas. Pretendo tambm,

consolidar a minha capacidade para desenhar solues concebidas para o mercado global e

que incorporem as tecnologias mais avanadas e robustas deste sector.

Introduo

3

1.4 Estrutura da dissertao

Visando uma boa apresentao dos assuntos abordados durante a tese, foi definida a

seguinte estrutura:

Introduo - apresenta a tese e os seus desafios;

Estado da Arte - analisa o modelo adoptado para o clculo da superfcie de captao e a

oferta actual em solues que podem cumprir as especificaes do problema: as

comunicaes sem fios de baixo dbito binrio, os sensores magnticos,

particularmente, as magnetoresistncias anisotrpicas, as fontes de energia para

sensores, com enfse na energia fotovoltaica;

Soluo justificao da arquitectura proposta, procura e seleco dos componentes de

electrnica, modelo de consumo energtico do eq-sensor e esquema da soluo;

Implementao - mdulos de electrnica, protocolo aplicacional, firmware do eq-sensor,

do controlador e software do painel de controlo. Principais algoritmos. Biblioteca de

interface para o SA;

Resultados - dados sobre ensaios realizados com o magnetmetro, com as

radiocomunicaes sem fios, captura de assinaturas magnticas de veculos, medidas

de consumo energtico, melhorias propostas;

Concluses;

Anexos;

Bibliografia.

Com os resultados desta tese e os testes realizados com o prottipo desenvolvido, foi

possvel submeter um paper para apresentao oral na CETC, Conference on Electronics,

Telecommunications and Computers, realizada em Novembro de 2011 no ISEL [1].

Estado da arte

5

2 Estado da arte

2.1 Solues existentes

Os sistemas de contagem e de classificao de veculos permitem melhorar o planeamento,

as previses de trfego rodovirio e o servio prestado aos clientes dos operadores

rodovirios. Permitem tambm o controlo da qualidade de servio com uma base estatstica

rigorosa.

Actualmente, as solues de contagem e classificao de veculos utilizam bobinas

inductoras, sensores piezoelctricos, olho fotosensvel, ultrasons, entre outros. A maior

parte destes sistemas, como alguns dos apresentados na Fig. 2-1, so alimentados a partir

da berma da estrada, necessitando de uma racha para a passagem dos fios. Estas

instalaes so dispendiosas e geram fragilidades no asfalto.

Contador de carros com sensor pneumtico [2]

Ligao berma por via de uma racha [3]

Detectores piezo elctricos [4]

Fig. 2-1 Conjuntos diversos de eq-sensores rodovirios e ligaes

A soluo pneumtica utiliza um tubo de borracha fino e sensvel s variaes de presso

provocadas pela passagem dos veculos, possuindo um vida til reduzida. As solues

piezoelctricas suportam at 40 milhes de passagens [5].

Uma outra soluo baseia-se numa bobina condutora embebida no asfalto que emite um

campo magntico permanente. Este campo sofre variaes quando um veculo passa e

atravs de uma outra bobina ligada em srie, estas variaes so medidas, permitindo

assim a contagem e classificao dos veculos. Como o campo magntico induzido muito

superior ao CMT este sensor proporciona uma resposta sempre idntica. Em contrapartida,

este sensor tem um elevado consumo energtico o que obriga a uma ligao permanente

rede elctrica, requer uma grande e demorada interveno na via, para alm de uma

manuteno peridica. Segundo um estudo da Universidade de Berkeley, o recurso a

bobinas indutoras permite uma preciso de 98% na classificao de veculos [6].

Estado da arte

6

O custo destas solues superior ao custo dos sistemas com cmara e reconhecimento

automtico de veculos. A tendncia para proporcionar uma superviso ao nvel de cada

cruzamento, entradas e sadas de auto-estradas, sadas de portagem e, idealmente, em

todos os quilmetros de auto-estrada, implica que a soluo deve diminuir drasticamente o

seu custo.

Uma das vantagens dos sistemas de deteco embutidos no asfalto a continuidade de

funcionamento durante temporais, nevoeiros, queda de neve e baixa luminosidade [7].

O recurso a vdeo para deteco da classe do veculo requer meios de processamento

considerveis para cada camra de deteco. Estes meios de processamento podem

tornar-se incomportveis para garantir uma deteco em tempo real distribuda por vrias

dezenas ou centenas de locais de contagem e classificao. Os magnetmetros oferecem

uma informao muito mais compacta e simples de manusear informaticamente. O custo de

processamento da classificao de um veculo, com base na sua assinatura magntica, ser

incomparavelmente mais pequeno. Conjectura-se que um nico servidor poder processar

uma rede de dezenas de sensores e apresentar em tempo real a informao geogrfica de

trfego.

O custo e a autonomia constituem dois importantes factores para eq-sensores rodovirios. A

autonomia dos equipamentos com baterias situa-se, tipicamente, entre 3 e 10 anos. O custo

destas solues ainda elevado denotando de um mercado emergente [8].

Uma das tecnologias utilizadas recorre deteco das flutuaes do campo magntico da

Terra com um sensor magnetoresistivo integrado num chip de baixos custo e consumo

energtico. Aliado a microprocessadores e interfaces rdio com as mesmas caractersticas,

esta nova gerao de eq-sensores emerge como uma soluo competitiva, para redes de

sensores de contagem e classificao de veculos com centenas de pontos de recolha.

Num trabalho de investigao na Universidade de Uppsala, Sucia, Hamid Reza

Hajimohammadi reporta uma taxa de identificao e classificao de 76% com a tecnologia

de sensor com magnetoresistncias, idntico ao componente seleccionado para este

projecto [9]. Esta taxa inferior aos resultados obtidos com bobinas indutoras e ter de ser

confirmada nos testes a efectuar na sequncia do presente projecto.

Nesta gama de sistemas destacam-se as solues da empresa norte-americana Sensys.

Esta prope um equipamento inserido no asfalto e coberto por uma capa de resina epxi de

endurecimento rpido para o nivelar, encarcerar e proteger. A resina epxi tem uma muito

baixa atenuao das micro-ondas e uma grande robusteza tanto presso como s

vibraes sendo, por isso, um excelente substituto do asfalto. A Sensys fornece um

invlucro de plstico de proteco do eq-sensor para a sua recuperao sem danos [10].

Estado da arte

7

A Sensys pe um grande enfse no firmware e software associado sua soluo como

factor diferenciador. Esta caracterstica demonstra a importncia do firmware na construo

de uma soluo competitiva.

O eq-sensor apresentado na Fig.2-2 detecta as variaes do CMT aquando da passagem

de um veculo. Este equipamento funciona com pilhas de ltio de grande densidade

energtica. Possui uma frequncia de amostragem de 125 Hz, utilizando 99% do perodo

em estado adormecido de baixo consumo energtico. Com baterias de Li-SOCL2, Ltio de

Cloreto de tionila e configurado para o modo de envio de dados por lote em tempo diferido, o

fabricante indica que alcana 10 anos de autonomia [11]. Este consumo muito baixo no

atingido quando configurado para o envio em tempo real.

Fig. 2-2 Eq-sensor c/ magnetoresistncias 3 eixos, comunicaes sem fios, alimentado p/ baterias [12]

As baterias de Ltio de Cloreto de tionila so sensveis ao choque e podem explodir se

submetidas a temperaturas superiores a 100 C. Nos testes de autonomia que a Sensys

apresenta est documentada a utilizao do equipamento com temperaturas acima dos

85C durante os meses de vero, no Texas. questionvel o uso deste tipo de baterias num

eq-sensor desprovido de um radiador de evacuao do calor.

A soluo da Sensys tem um ponto de acesso rdio AP, Access Point, que utiliza uma

antena direccional com ganho superior a 10 dBi e um armrio na berma que incorpora um

concentrador com um Gateway IP. A soluo da Sensys integrada e compacta no que diz

respeito ao eq-sensor. Os outros elementos da rede so relativamente volumosos. Esta

concepo traduz-se por um custo elevado da soluo completa.

Um outro fabricante a Astucia, uma empresa inglesa que apresenta um eq-sensor, Fig. 2-

3, com magnetmetro, comunicaes sem fios e autonomia energtica baseada num captor

solar. O envio de dados realizado por lote, em tempo diferido ou em tempo real. Como o

equipamento pode memorizar at um ano de dados, no necessrio ter uma infraestrutura

Estado da arte

8

na berma da estrada. Basta passar, periodicamente, com um carro de servio e proceder

recolha dos dados. Desta maneira poupa-se, para cada ponto de contagem e classificao,

a infraestrutura de recolha e envio dos dados para a WAN, Wide Area Network.

Fig. 2-3 Eq-sensor c/ magnetmetro, comunicaes sem fios, alimentado com painel solar [13]

Um outro fornecedor relevante a empresa espanhola Libelium, uma spin-off da

Universidade de Zaragosa. A Libelium inicou em 2011 a comercializao de um eq-sensor

munido de um detector magntico que controla os espaos de parqueamento.

Recentemente, lanou uma outra soluo de deteco de trfego de veculos por ultra-sons.

Todas as suas aplicaes utilizam uma plataforma de processamento, denominada

Waspmote. Esta soluo alimentada por baterias e tem uma autonomia de 5 anos.

Fig. 2-4 Eq-sensor c/ magnetmetro, comunicaes sem fios, alimentado por baterias [14]

Cita-se ainda a soluo da empresa finlandesa Vassala que utiliza sensores GMR, Giant

Magnetometer Resistence, com uma tecnologia proprietria designada por imagiologia

magntica dos veculos, VMI, Veicule Magnetic Imaging, e possui uma autonomia com

pilhas at 3 anos [15]. O eq-sensor tem tambm opes para detectar a presena de gua e

medir a temperatura, informao essa que, para os pases nrdicos, tem bastante valor.

Estado da arte

9

Fig. 2-5 Eq-sensor c/ Vehicle Magnetic Imaging, comunicaes sem fios, alimentado por baterias [15]

Esta tese insere-se nesta gama de equipamentos e nas suas performances tcnicas. Tendo

em conta o que j se faz ao nvel da oferta global, seleccionou-se um conjunto de factores

que podem diferenciar e optimizar uma soluo inovadora.

Factores de sucesso:

Concepo de algoritmos firmware e software de alto desempenho;

Baixo consumo energtico com recurso a ciclos de trabalho / repouso do eq-sensor;

Auto calibrao do equipamento;

Envio das ocorrncias com assinatura magntica em tempo real;

Opo de envio de ocorrncia, sem assinatura magntica, para contagem;

Opo de acumulao de ocorrncias de contagem com referncia temporal e envio

diferido e agrupado;

Comunicaes sem fios de baixo dbito e alto desempenho;

Soluo com autonomia energtica de pelo menos 3 anos;

Dimenso optimizada do contentor.

Factores de diferenciao:

Baixo custo de fabrico do eq-sensor e dos elementos de rede, tais como o coordenador;

Opo de compresso de dados;

Opo de encriptao;

Soluo de fcil instalao e manuteno na rodovia;

Dimenso mais pequena do que as solues existentes;

Resistncia a altas temperaturas;

Estado da arte

10

2.2 Comunicaes sem fios de baixo dbito binrio

Nesta tese, as comunicaes de dados usam uma rede sem fios com os seguintes

elementos:

Eq-sensores inseridos no asfalto das vias rodovirias com SoC e mdulo de

comunicaes rdio LR-WPAN;

Concentrador situado na berma da via rodoviria com mdulo de comunicao rdio

para o LR-WPAN e mdulo de comunicaes para a WAN da entidade de gesto,

recorrendo s comunicaes de dados mveis GPRS/3G ou simplesmente a um acesso

fixo de cobre ou de fibra ptica;

SA com aplicao de gesto da rede de coordenadores e eq-sensores, motor de

classificao de assinaturas magnticas e GIS, Grafical Information System.

Note-se que esta tese est limitada, no seu mbito, rede LR-WPAN e ao eq-sensor.

Para criar uma rede de comunicaes de baixo dbito binrio, baixo consumo energtico e

coexistente com outras redes sem fios, que partilhem a faixa no licenciada do espectro

rdio ISM, Industry Security & Medical, nos [2,4..2,5] GHz, necessrio seleccionar uma

norma compatvel com as famlias de normas j existentes nesta faixa.

Inicialmente, as redes de eq-sensores utilizavam normas ad hoc e muito simples, utilizando

o protocolo CDMA/CA, colitions detection multiple access / colition avoidance, para coexistir

com outros emissores. O sinal no era espalhado no tempo ou na frequncia e era muito

sensvel s interferncias. Muitos fabricantes propunham solues proprietrias como o

exemplo da RFID activa com possibilidade de transmisso de dados. Com a sobrelotao

da faixa ISM 2,45 GHz pelo 802.11, WiFi, estas solues proprietrias esto agora

obsoletas.

A rede LR-WPAN deve, em particular, conviver com redes Wi-Fi e comunicaes Bluetooth.

Por isso a ateno centrou-se nas normas IEEE, Institute of Electrical and Electronics

Engineers, que desenvolve um conjunto de normas adaptadas, eficientes e coexistentes.

A seleco das comunicaes a usar segue os seguintes critrios:

1. Baixo dbito binrio;

2. Baixa potncia de emisso;

3. Baixa taxa de erros;

4. Comunicaes mesmo com baixo SNR, Signal Noise Ratio;

5. Coexistncia com outras redes sem fios;

Estado da arte

11

6. Potncia mdia de emisso nula;

7. Baixo custo;

8. Sem licenciamento de faixa de espectro.

As principais normas que podem ser utilizadas na faixa ISM 2,45 GHz so as que se

apresentam na Tab. 2-1. Evidencia-se a prevalncia da norma de base IEEE 802.15.4

utilizada na maior parte dos protocolos disponveis para as camadas PHY (fisical link) e

MAC (datalink):

Tab. 2-1 Norma de redes sem fios para eq-sensores

Norma Designao Tipo Dbito Binrio Consumo

[Kbps]

IEEE 802.15.1 BLE (wibree) LR-WPAN 200 Baixo

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 ZigBee 6loWPAN WirelessHART ISA100.11a

LR-WPAN 250 Baixo

IEEE 802.11 WiFi HR-LAN 1000 600 000 Alto

A tecnologia BLE, Bluetooth Low Energy, anteriormente apelidada de wibree foi desenhada

para competir com o ZigBee e apresenta- se hoje como uma opo de baixo consumo face

a mdulos Bluetooth. Por constituir uma verso da norma Bluetooth, mais orientada para

gerir perifricos informticos pelo que no foi considerada para o presente projecto.

O enfoque inicial do projecto situou-se na tecnologia ZigBee e na IEEE 802.15.4 por serem

normas abertas em termos de especificaes, terem grande notoriedade para redes de eq-

sensores e oferecerem baixo custo de aquisio dos componentes. Existem muitos

fornecedores e uma oferta diversificada.

A faixa de comunicaes ISM 2,45 GHz sobrelotada de aplicaes de radiocomunicaes

particularmente intensas. A importncia das normas IEEE 802.11 (rede local sem fios) e

IEEE 802.15.1 (Bluetooth, rede sem fios pessoal de alto dbito binrio), faz delas as

principais fontes de interferncia. Considerando que os eq-sensores podem ser instalados

em vias rodovirias isoladas ou na proximidade de portagens, a coexistncia da rede de

comunicaes com estas normas foi um factor crtico de deciso.

A norma LR-WPAN IEEE 802.15.4 dedicou uma ateno particular coexistncia entre

normas que partilhem o meio fsico, minorando os cenrios de coliso e interferncia para

garantir uma baixa taxa de erros, permitindo assim um melhor desempenho.

Estado da arte

12

2.2.1 Faixa de frequncia ISM

Existem duas faixas de frequncia sem licenciamento ISM que a norma IEEE 802.15.4 pode

ocupar: as faixas dos 868 e 2 450 MHz.

A assinatura magntica digitalizada de um veculo pode atingir uma grande dimenso. Sem

ter em conta os algoritmos de compresso de dados, apresenta-se na Tab. 2-2 uma

projeco para uma configurao mnima e outra para uma configurao com uma melhor

definio da digitalizao (12 bits). O eq-sensor a desenvolver tem um dbito de envio

elevado, por rajadas, e precisa de escoar esta informao logo a seguir passagem de um

veculo, para a deteco e digitalizao do prximo veculo.

Tab. 2-2 Projeco do nmero de bytes necessrios para a assinatura de veculos

Veculo Tamanho Nmero de

amostras

Preciso Direces magnticas

ortogonais

Dimenso dos

dados

[m]

[bytes] [bytes]

Veculo ligeiro

de passageiros 5

10 1 1 50

25 2 2 500

Camio c/

atrelado 30

10 1 1 300

25 2 2 3000

Este volume de dados sugere a seleco da faixa com maior dbito binrio. A instalao do

eq-sensor no exterior garante uma baixa taxa de eventuais interferncias provocadas por

outras fontes rdio. Por esta razo a sobrelotao da faixa de frequncia no uma

preocupao, pelo que dada preferncia faixa ISM dos 2,45 GHz que oferece um dbito

binrio de 250 kBps e 16 canais de comunicaes.

Segundo a terminologia da Anacom, na ausncia de regulao especfica para

radiocomunicaes no exterior, de rede de eq-sensores, este projecto caracteriza-se como

rede de SRD, short range devices: Aplicam-se as comunicaes de dados de uso geral

no licenciadas na faixa dos 2 400 2 483,5 MHz que no podem utilizar uma potncia de

emisso superior a 10 mW p.i.e.r., potncia isotrpica equivalente radiada. [16].

Esta limitao de potncia compatvel com a norma IEEE 802.15.4 que mantm

comunicaes fiveis com um SNR, signal to noise ratio, inferior a 0 dBm superando assim

o Wi-Fi e o Bluetooth.

Estado da arte

13

2.2.2 IEEE 802.15.4

A norma IEEE 802.15.4, cobre as camadas fsicas (PHY) e de enlao de dados (Datalink) e

foi pensada para optimizar a relao SNR. Apresenta uma boa sensibilidade e permite a

coexistncia com outras normas que partilham estas faixas do espectro.

O equipamento coordenador de rede IEEE 802.15.4, na fase inicial de arranque e antes de

proceder a seleco de canal, testa cada canal disponvel, calcular a densidade de energia

electromagntica e detectar a presena de outras redes IEEE 802.15.4. Esta operao

dinmica.

A potncia de emisso regulvel e pode ser determinada com base no RSSI, Radio Signal

Strength Indicator, e o LQI, Line Quality Indicator, que o receptor envia ao emissor nas suas

mensagens. Quando realiza um envio de mensagens o emissor deve calcular o PER, packet

error rate, com base nos pacotes ACK, acknoledge, e NAK, not acknowledge,.

Esta norma incorpora elementos de topologia de rede, nomeadamente, em estrela e par-a-

par. Ela serve de base para as normas que operam entre a camada de rede OSI, Open

System Interconnection, e a camada aplicacional. Apresenta-se no Anexo E - IEEE 802.15.4

o sumrio desta norma.

2.2.3 ZigBee Alliance

A ZigBee Alliance, uma associao de direito privado que junta, essencialmente,

fornecedores de componentes electrnicos e fabricantes de mdulos e solues de rede

sem fios para eq-sensores, interruptores, comandos distncia, sistemas automatizados,

entre muitas outras. Esta associao publica especificaes e perfis e coordena testes de

compatibilidade entre construtores. Para o uso de um Stack e de perfis ZigBee necessrio

pagar um licenciamento ZigBee Alliance.

Duas especificaes so propostas: ZigBee com o Stack completo possuindo maior

flexibilidade em termos de topologia e ZigBee RF4CE, Radio Frequency for Customer

Equipment, uma verso reduzida s topologias em estrela e ponto-a-ponto do IEEE

802.15.4.

Em termos de especificaes, elas integram na totalidade a norma IEEE 802.15.4 e

acrescentam:

Topologia arvorescente e em malha;

Estado da arte

14

Auto organizao e associao em estrutura previamente parametrizada;

Deteco de equipamentos;

Gerao de chave de encriptao e activao da segurana nas comunicaes;

Gesto de coordenador, router e Pontos Terminais (ou equipamentos terminais);

Envio e recepo de dados nos routers e coordenador;

Gesto automtica de poupana de energia;

Gesto de parmetros MAC e funes da camada MAC;

Vrios perfis aplicacionais normalizados.

Em 2011, a especificao ZigBee Network Device foi publicada. Esta especeficao permite

aos fabricantes de hardware propor coordenadores com interface para IP. Nesta tese optou-

se por um Gateway via comunicaes srie EIA-232.

A fragmentao de fluxo de dados deve ser realizada ao nvel aplicacional por no fazer

parte da especificao ZigBee, embora esteja presente em perfis especializados que

apresentamos na Tab. 2-3. O grande laque de perfis, indica um crescimento do sector, das

solues e a emergncia de um novo mercado. A maior parte destes perfis tem 1 ou 2 anos

de publicao.

Tab. 2-3 Perfis ZigBee Alliance. [17]

Perfis ZigBee Descrio Ano das Especificaes

Building Automation Interface com BACnet rede cablada para edifcios No disponvel

Remote Control ZigBee RF4CE 2010

Smart Energy Automao e estatsticas na distribuio de gua e energia para as casas

2008

Health Care Interface c/ Continua Health Alliance para a interoperabilidade e comunicaes sem fios de baixo dbito com equipamentos mdicos

2009

Home Automation Domtica, controlo da iluminao, interruptores, dimmers, segurana, gesto de energia das casas, telecomandados.

2007

Input Device Para ratos, teclados e outros equipamentos de entrada de dados para computadores e equipamentos de consumo

RFC4

Retail Services Superviso e controlo da cadeia logstica para a venda a retalho dos supermercados

No disponvel

Telecom Services Certificao de interoperabilidade com telemveis para equipamentos de pagamento, de informao, publicidade e comunicaes ad hoc com outro mvel

2010

3D sync Interface para culos 3D RF4CE

Network Devices Gateway, bridge e repetidores, para equipamentos de rede ZigBee Pro/11

Na lista apresentada na Tab. 2-3 no se encontra um perfil para uma rede de eq-sensores.

Uma explicao que uma parte deste mercado servida pelas solues industriais

WirelessHART e ISA10010a enquanto outra parte servida por Stack proprietrios

Estado da arte

15

construdos sobre o IEEE 802.15.4 que permitem, sem custo de licenciamento, implementar

solues mais optimizadas no processamento, na poupana energtica e no protocolo de

transferncia de dados. Citam-se os exemplos do Stack JenNET [18] ou o Stack Miwi [19]

que ambos suportam at 500 eq-sensores.

2.2.4 6loWPAN

O 6loWPAN, IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks, uma norma aberta e

publicada sob a alada da IEFT, Internet Engeneering Task Force [20] e [21]. Esta norma

apresenta a rede LR-WPAN como a extenso da rede IP. Dir-se-ia que, ao contrrio das

especificaes ZigBee, o esforo de normalizao iniciado no Gateway e centra-se no

prolongamento do Network Layer IP sobre redes IEEE 802.15.4.

A norma 6loWPAN foi concebida partida para suportar o IPv6 (e o IPv4) e por isso

apresenta um claro critrio de perenidade. Seguem as suas caractersticas fundamentais:

Compresso de cabealho;

Adaptao de tamanho dos pacotes IP (MTU at 1280 byte) e IEEE 802.15.4 (127 byte)

por fragmentao / desfragmentao.

Resoluo de endereo Ipv6 = 128 bit, IEEE 802.15.4 = IEEE MAC 64 bits + 16 bit

PANID.

Topologia em rvore com: Edge Router IPv6 + 6loWPAN, Router e equipamentos

terminais em IEEE 802.15.4;

Compatibilidade com o protocolo de routing IETF ROLL, Routing Over Low power and

Lossy networks, para optimizar a procura de caminho numa arquitectura em malha de

equipamentos de baixo consumo, custo e potncia;

Normas abertas sem custo de licenciamento.

A norma 6loWPAN suportada pela NXP-Jennic. A Texas Instruments recorre a um

parceiro, a Sensinode, que desenvolveu uma verso licenciada deste Stack. A Microchip

no oferece ainda este protocolo. O sistema operativo aberto Contiki para

microprocessadores e SoC, suporta um conjunto de componentes com o 6loWPAN [22]. O

mercado est algo imaturo em relao implementao desta norma.

Estado da arte

16

2.2.5 IEEE 802.15.5

A norma IEEE 802.15.5 proporciona uma arquitectura para redes WPAN que permite criar,

dinamicamente, redes em malha tais como rvores de grande dimenso. A norma cobre as

redes de baixo e alto dbito binrio. Apresenta as seguintes caractersticas fundamentais:

Inicializao automtica de rede;

Endereamento;

Multi-hop unicast;

Difuso;

Optimizao de energia;

Esta norma associada ao 6loWPAN concorrente da ZigBee Alliance com a vantagem de

ser aberta e sem licenciamento, no entanto com a desvantagem de ser muito recente.

2.2.6 WirelessHART

A norma WirelessHART cria a interface com redes de cabos baseadas no protocolo HART,

Highway Addressable Remote Transducer Protocol, [23], dominante nas redes de sensores

para a indstria e sistemas de automao.

O protocolo utiliza a norma IEEE 802.15.4 para as camadas PHY e MAC, criando uma

arquitectura de rede com as seguintes caractersticas:

Rede em malha;

Auto-organizao da rede;

Sncrona;

Gateway com FieldBus, Profibus, entre outros BUS de automao industrial;

Normalizado IEC 62591 em 2009 (International Electrotechnical Commission).

Esta norma tem o seu enfoque na automao industrial. Por no ser o enfoque deste

projecto, apenas se menciona a norma sublinhando a sua grande importncia para a

industria.

2.2.7 ISA100.11a

O standard ISA100.11a dedicado aos sistemas de automao e redes de sensores [24] e

tem as seguintes caractersticas:

Estado da arte

17

Integra o IEEE 802.15.4 para ISM 2.45 GHz;

Suporta as topologias do IEEE 802.15.4;

Gere saltos entre canais, frequency hopping, para aumentar a resistncia a erros;

Transporta por tnel protocolos tais como Fieldbus, HART, Profibus, ModBus;

Utiliza a segurana AES, advance encryption standard, do IEEE 802.15.4, generalizada

a toda a rede;

Dedicada a aplicaes crticas.

Enfoque na automao industrial, domtica, transmisso e distribuio, RFID, entre outros.

Actua no mesmo mercado do que o protocolo HART.

2.2.8 Critrios de seleco

De acordo com o j descrito, as normas de comunicaes para as comunicaes sem fios

so numerosas e em pleno crescimento. O Stack ZigBee apresentou-se como a soluo

mais madura. A sua seleco permite tambm a avaliao do protocolo subjacente IEEE

802.15.4.

deixado em aberto o uso de outros Stack, tal como o Stack SIMPLICITI da Texas

Instruments que no necessita de um licenciamento e apresentado como sendo eficiente

em termos energticos. No entanto, por se tratar de uma soluo proprietria, no se optou

por este Stack.

2.3 O magnetismo para a deteco de veculos

2.3.1 Tecnologia

O magnetmetro um sensor electrnico que gera duas tenses variveis e opostas em

funo da intensidade e direco de um campo magntico que pode ser natural, tal como o

CMT, ou artificial obtido com bobinas ou man permanentes. Existem magnetmetros

escalares e vectoriais, absolutos, de vibrao, galvanmetro de deflexo, nuclear, entre

outros, cujas tecnologias se apresentam na Tab. 2-4, sendo o mais integrado o

magnetmetro constitudo por uma ponte de Wheatstone de 4 magnetoresistncias

anisotrpicas.

Estado da arte

18

Tab. 2-4 Tipo de magnetmetros e gama de utilizao [25]

Squid

Fibra ptica

Bomba ptica

Precesso nuclear

Bobina buscadora

Campo magntico terrestre

Magneto resistncia anisotrpica

Barreira de fluxo

Transistor magntico

Dodo magntico

Sensor magneto ptico

Resistncia magntica gigante

Sensores a efeito de Hall

TecnologiasIntervalo de deteco em Gauss

10-8

10-4

1 104

108

Citam-se as seguintes tecnologias:

1. Squid, Superconducting QUantum Interference Device - medem a intensidade de um

campo de 1 fempto-Tesla at 10 Tesla, ou seja respectivamente 10-9 at 106 Gauss.

Requerem materiais supra condutores e um sistema de arrefecimento muito eficiente;

2. Fibra ptica - coberta com componente sensvel ao magnetismo. Sofre variao de

potncia luminosa quando submetida a um campo magntico;

3. Precesso nuclear - utilizado em medicina, possui sensores muito estveis mas

dispendiosos;

4. Bobinas buscadoras servem para determinar campos magnticos variveis ou

rotativos. Sensores econmicos e de fcil realizao. Precisa de alimentao energtica

permanente e difcil de integrar;

5. Barreira de fluxo sensores mais comuns utilizados por exemplo nas aplicaes de

compasso magntico. Um sinal harmnico induz num ncleo ferromagntico um campo

que por a sua vez induz uma corrente numa outra bobina usada para a medio. O

campo magntico externo tem uma influncia na induo e o seu valor extrado por

deteco de fase e comparao de potncia. Estes sensores so pouco integrveis e

precisam de alimentao permanente;

6. Sensores MRA - a tecnologia de deteco de variaes do CMT utiliza sensores MRA,

magnetoresistncia anisotrpica. O fenmeno de variao da resistncia de alguns

componentes sensveis ao campo magntico foi descoberto em 1856 por Lord Kelvin e

precisou de um sculo para iniciar a sua explorao. As cabeas de leitura de discos

rgidos de computadores utilizam este efeito. Estes componentes so mais econmicos

e integrveis e so constitudos por uma ponte de Wheatstone com magnetoresistncias

Estado da arte

19

em Permalloy depositadas sobre Si, Silcio. O Permalloy uma liga com 70%-90% Ni

(Nquel) e o restante principalmente de Fe (Ferro) que recebe um tratamento trmico

especial e a sua propriedade principal ter uma permeabilidade magntica relativa de

8000 e absoluta de 10-4 [H/m ou NA-2] e de ter uma MRA quando os seus domnios

magnticos so alinhados.

De todas as tecnologias disponveis, as magnetoresistncias apresentam o mais baixo

custo, uma reduzida dimenso e baixo consumo, tipicamente 10 mA por direco de

sensibilidade magntica. A gama de sensibilidade inclui o campo magntico da Terra pelo

que permite dispensar a produo de um campo magntico artificial. Os filmes de Permalloy

utilizados nas magnetoresistncias apresentam as seguintes propriedades:

Baixa coercividade no h efeito de histerese, embora seja necessrio remagnetizar

regularmente porque perdem rapidamente a sua anisotropia;

Magnetostrio igual a zero no h variao de dimenso do material quando existe

variao do campo magntico. Como o sensor utiliza filmes de Permalloy muito finos,

esta propriedade essencial para a durabilidade dos componentes;

Magnetoresistncia anisotrpica quando o campo magntico varia, o filme de

Permalloy tem a sua resistncia que varia em funo da sua orientao no campo

magntico. A variao de resistncia em funo da orientao pode alcanar uma

diferena de 50% do valor diferencial de sada do componente;

Componente completamente resistivo, ou seja, a sua impedncia real e pode ser

utilizado com frequncia elevada, p.e. at 5 MHz, sem alterao de propriedades [26].

Esta qualidade permite alimentar o componente por breves perodos, para as medies,

sem introduzir uma distoro do sinal digitalizado.

Pelas razes apresentadas, este foi o magnetmetro seleccionado para o presente projecto.

2.3.2 Insgnia de barbeiro

O sensor com magnetoresistncia anistrpica adopta uma ponte de Wheatstone constituida

por dois divisores de tenso. Esta multiplica por dois a sensibilidade das variaes

observadas, permite detectar o campo magntico em funo da sua orientao e alimenta,

diferencialmente, um AmpOp, amplificador operacional. Desta forma uma grande parte do

ruido electromagntico filtrado. Esta estrutura vulgarmente chamada de insgnia de

barbeiro.

Estado da arte

20

Cada divisor de tenso tem duas magnetoresistncia constituida por vrios elementos em

Permalloy, p.e. seis elementos apresentados na Fig 2-3. Eles so orientados em ngulo

recto relativamente aos elementos da outra resistncia. Quando o campo magntico

orientado para obter resistncia mxima numa das resistncias, a sua congnere ter uma

resistncia mnima. O ponto central do divisor de tenso vria de maneira linear. O segundo

divisor tem uma simetria em espelho relativamente ao primeiro divisor e comporta-se de

maneira inversa duplicando a sensibilidade. A tenso de sada proporcional variao da

magnetoresistncia.

Fig. 2-6 Insgnia de Barbeiro.

Onde temos:

VCC, Voltage Common Collector, alimentao elctrica, tipicamente de 3 at 15 V;

R valor do elemento resistivo em Permalloy da ponte de Wheatstone, na ausncia de

campo magntico;

Vout1 e Vout2, tenses de sada da ponte de Wheatstone;

Vdif a tenso diferencial entre os dois pontos de sada Vout1 e Vout2.

Na ausncia de campo magntico externo, temos:

Ou seja, um VCC de 3.3 V cria uma tenso Vout1 de 1,65 V, uma voltagem adequada para

uma converso analgica digital que se realiza entre VCC e a massa, GND. A voltagem

(2.1)

Estado da arte

21

diferencial nula na ausncia de campo magntico, o que no acontece na Terra. Existe

portanto sempre uma voltagem diferencial porque as resistncias vo tomar valores

diferentes funo da sua orientao no CMT. Quando um campo magntico externo

influencia o componente, cada resistncia perde ou ganha uma variao de resistncia de

valor absoluto igual a , em Ohm:

(

)

(2.2)

(

)

(2.3)

A diferena de tenso entre Vout1 e Vout2 igual a:

( )

(2.4)

Paralelamente, a frmula que o fabricante apresenta na sua application note 218 [27]

permite identificar a sensibilidade, o campo magntico aplicado e a variao de resistncia:

( ) (2.5)

Onde S e Bs so:

S a sensibilidade magntica em mV/V/Gauss;

Bs o campo magntico aplicado em Gauss.

Combinando (2.4) e (2.5) obtm-se:

(2.6)

A variao em Ohm de criada pelo CMT relativamente pequena. Por exemplo, o

componente HMC1002 da Honeywell tem uma sensibilidade nominal de 3,2 mV/V/Gauss, ou

seja, 3,2 mV de variao para 1 V aplicado ponte de Wheatstone (VCC) e um Campo

Magntico externo de 1 Gauss. Com VCC igual a 3,3 V e o valor do CMT de 0,5 Gauss,

obtemos uma tenso diferencial de 5,28 mV, utilizando para o clculo a equao (2.5). As

variaes criadas pela passagem de um veculo no CMT so tipicamente de 0,7 Gauss e o

componente gerar, portanto, uma variao de [2,1..12,7] mV em redor do CMT sem

correco de bias ou . 7,4 mV com correco.

Estado da arte

22

A preciso do magnetmetro publicada no descritivo do HMC1002 da Honeywell [26] de,

no mximo, 0,5% e tipicamente, 0,1%, da FS, Full Scale, de [-1..1] Gauss, o que muito

inferior aos erros gerados pela incerteza da posio de passagem do veculo acima do

sensor, pela influncia aleatria das peas moveis (pistes, alternador), dos objectos

ferromagnticos transportados, diferentes de veculo a veculo, do nmero de passageiros e

ainda pelas pequenas variaes existentes entre veculos do mesmo modelo. No entanto,

esta preciso abre outras aplicaes para alm da deteco do modelo do carro, tal como a

imagiologia magntica de baixo custo.

necessrio retirar tenso diferencial de sada Vdif, um bias para contrabalanar o valor

mdio do CMT e aplicar uma forte amplificao para o adaptar escala de tenso [0..VCC]

esperada pelo microprocessador nos pins de entrada.

O bias o desvio do valor diferencial de sada em relao ao meio da escala, VCC / 2, criada

pelo CMT. Na ausncia de CMT, o bias nulo. O ganho de amplificao calcula-se a partir

do valor mximo desejado para manter as assinaturas na gama de tenso seleccionada,

que dever ser igual ou inferior a VCC. Este ganho decidido heuristicamente.

Temos portanto a seguinte frmula:

( ) (2.7)

Onde

V a tenso de sada depois da correco do bias e amplificao;

G o ganho de amplificao;

Vbias a tenso diferencial que medida quando no existe variao do CMT;

O magnetmetro no entra em saturao pelas variaes de tenso porque estas oscilam

em redor do valor de sada VCC / 2 de 20 mV para a FS de [-2..2] Gauss. A saturao

advm porm quando o campo magntico exterior varia acima de um valor de 2 Gauss

[26], ocorrncia possvel com um carro blindado, frigorfico, elctrico ou camio. O

procedimento de Set / Reset reinicia o sensor depois desta perturbao que mesmo assim

consiste numa assinatura magntica vlida e suportada pelos algoritmos desenhados neste

projecto.

Assim, no exemplo apresentado anteriormente, o bias de 5,28 mV, a tenso diferencial

mxima de sada de 7,4 mV com correco de bias, ou seja [0..14,8] mV de variao, e o

ganho seria portanto de 203 para obter a tenso mxima de 3 V. O fabricante recomenda

Estado da arte

23

um ganho de 150 para a digitalizao de assinatura magntica e 300 para a simples

contagem de veculos [28].

O valor do bias deve ser detectado por firmware com base no valor do CMT e corrigido,

automaticamente, com recurso a um potencimetro digital.

O valor do ganho pode ser um parmetro configurvel, atravs da estrutura de configurao

enviada pelo servidor ao eq-sensor que, por sua vez, recorre a um potencimetro digital. O

ganho depende da orientao do sensor no CMT e esta diferente em cada local de

instalao.

O sensor magntico, por ser orientado no sentido do trfego rodovirio, v a sua

sensibilidade variar numa gama de [50..100]% em relao sua sensibilidade mxima. Esta

ocorre com a orientao paralela s linhas de fora do CMT. Isto implica que o ganho fixo

ter respostas varaveis segundo o local de instalao, na ordem de um para dois. Um outro

factor de variao de sensibilidade do sensor a intensidade do CMT, que varia segundo o

local de instalao, o perodo do dia, do ano, e as condies atmosfricas, pelo que no

existe um valor optimizado que possa aproveitar a FS. Por esta razo o fabricante

recomenda um ganho de apenas 150 enquanto o clculo do nosso exemplo tpico apresenta

um ganho de 203. As variaes referidas mostram, claramente, que as assinaturas de um

mesmo veculo obtidas por eq-sensores sujeitos a diferentes envolventes tero uma

amplitude sempre diferente. Esta diferena de amplitudes implica que o SA realize uma

operao de normalizao. Nota-se que as assinaturas tm sempre a mesma forma, ou

seja, os eq-sensores produzem uma famlia de curvas congruentes entre si. A congruncia

entre duas curvas existe se uma pode ser transformada na outra por uma relao de

isometria tal como a multiplicao da amplitude ou do nmero de amostras por um factor

inteiro (translaes), sendo que os factores no lineares, as rotaes e reflexes no so

aplicveis no mbito do tratamento posterior das assinaturas pelo SA.

2.3.3 Magnetoresistncia anisotrpica

A diferncia de resistncia dos filmes de Permalloy segundo uma determinada orientao,

ou seja o carcter anisotrpico da resistncia, obtida por orientao permanente dos seus

domnios magnticos, no sentido da menor resistncia desejada. Esta orientao se perde

com a passagem de veculo e o escoar do tempo, e deve ser recriada periodicamente com

uma operao de Set / Reset [28] e que ilustra-se na representao a seguir:

Estado da arte

24

Filme de Permalloy sem anisotropia resistiva: os seus domnios

magnticos so desordenados. O filme reage intensidade do campo magntico mas no orientao deste no campo.

Operao de Set, com um forte campo magntico local ao filme, criado o alinhamento dos domnios magnticos. A direco de sensibilidade magnetoresistnte perpendicular a orientao dos domnios.

A operao de Reset inverte todos os domnios no sentido definitivo de menor resistncia ohmica. A dupla operao Set Reset aumenta a sensibilidade do filme de Permalloy porque aumenta a taxa de domnios magnticos correctamente alinhados.

Fig. 2-7 Ordenao dos domnios magnticos dos filmes de Permalloy com Set / Reset

Para calibrar o sensor, o componente seleccionado dispe de bobinas internas por cada

resistncia em Permalloy que permitem gerar dois intensos campos magnticos por

elemento resistivo pelas operaes de Set e Reset, de polaridade opostas e de elevada

potncia. Os campos magnticos induzidos devem ser em redor de 40 Gauss [28]. Esta

operao reordena os domnios magnticos dos filmes de Permalloy e recria a a anisotropia

magnetoresistiva paralela a direco dos domnios magnticos. As bobinas miniaturas

requerem uma corrente de 3 A durante um tempo muito curto, tipicamente 2 s por impulso.

Para um fluxo de 1 veculo por segundo o que aproximativamente o fluxo de trfego

intenso de uma via de uma auto-estrada, o consumo mdio das operaes de Set e Reset

representa 6 Ah, o que no torna esta operao de calibragem prejudicial ao balano do

consumo energtico. A operao de Set Reset no afecta as medidas, porque esta

operao se realiza a seguir digitalizao completa da assinatura magntica.

A an213 [28] menciona que a operao de Set Reset deve ser realizada apenas quando o

sensor foi submetido a um campo magntico exterior superior a 10 Gauss. O firmware pode

portanto optimizar esta operao que pode ser realizada periodicamente e tambm quanto

Estado da arte

25

se detecta uma assinatura magntica que saturaes. Por outro lado, s a operao

peridica de Set Reset garante a taxa de erro de 0,5% e o baixo factor de influencia entre

eixos de sensibilidade magntica ortogonais, Cross Axis effect, de 0,5%.

2.4 Alimentao solar

O dimensionamento da clula solar ou do painel um tema de grande experimentalismo.

Uma ateno especial foi dedicada nesta tese a elaborar um modelo que se baseia em

dados estatsticos de meteorologia, geografia e rendimentos de converso que decorrem da

construo do eq-sensor. Estes factores no podem ser desprezados sob pena de no ser

possvel garantir o funcionamento permanente do mdulo, todos os dias do ano em todos os

locais de instalao.

2.4.1 Modelo para o clculo da superfcie do painel solar

O mtodo de clculo da superfcie mnima do painel solar se baseia nos seguintes

parmetros:

Pr : potncia de radiao solar expectvel no local e ms de menor insolao do ano;

rtrc : rendimento de converso devido a temperatura, reflexo e converso DC-DC;

Rdir e Rind : influncia dos componentes de radiao solar directa e indirecta;

rh : rendimento de converso devido a posio horizontal do eq-sensor;

rj : rendimento de converso ocasionado pela janela do eq-sensor;

fo : rendimento de converso devido ao factor de ocultao criado pelos veculos;

fc : rendimento de converso das clulas fotovoltacas;

Pc : potncia captvel que corresponde a Pr menos as perdas;

Pn : potncia necessria definida pelo modelo de consumo energtico do eq-sensor;

Sup : superfcie mnima do painel solar que prope o modelo.

Prad e Pc so expressos em Wh/m2/dia, Pn em expressa em Wh e Sup em m

2 e todos os

outros factores so percentagens. Os rendimentos de converso so iguais a 100% menos

as perdas ou so valores publicados.

(2.8)

(( ) )

(2.9)

Estado da arte

26

O uso deste modelo implica determinar as vrias perdas com os dados de meterelogia,

geografia, de construo do eq-sensor, do trfego mximo expectvel e das caractersticas

das clulas fotovoltacas a utilizar. Com estes parmetros, se pode calcular a potncia

captvel, Pc por hora e metro quadrado, sendo este valor uma mdia diria de 24 horas.

Por outro lado, ser preciso calcular Pn, a potncia necessria mdia por hora de um

funcionamento dirio de 24 horas, com o modelo de consumo do eq-sensor. Modelo

apresentado no pargrafo: 3.4 Modelo de consumo energtico.

Com a potncia necessria Pn e a potncia captvel Pc , calculada Sup, a superfcie mnima

recomendada para o painel solar. No prximo pargraafo, determinam-se todas as perdas

que permitem de calcular Pc, justificando cada parmetro do modelo.

2.4.2 Determinao da potncia mnima captvel

O detalhe do clculo com as escolhas geogrficas e meteorolgicas, apresentado no

Anexo E. Apresenta-se na Tab. 2-5, a smula destes clculos.

Tab. 2-5 Modelo de clculo da superfcie de um captor solar

Calculo de , o rendimento total de converso Perdas Potncia Unidade

No ms de menor irradiao solar, mdia diria 0% 2380

[Wh/m2/dia]

Perdas do sistema de converso e armazenamento 30% 1666

Perdas pela inclinao horizontal do eq-sensor num perodo de grande nebulosidade

directa 37,50% 625 72% 181

indirecta 62,50% 1041 0% 1041

Total 27% 1222

Perdas por reflexo, absoro e sujidades na janela do eq-sensor 30% 856

Factor de ocultao do eq-sensor pelo trfego em andamento 7,5% 792

Perdas converso fotovoltaica com clulas de alto rendimento 85% 119

Perdas converso fotovoltaica com clulas de baixo rendimento 92% 63

Clcula-se a partir destes dois ltimos resultados e da irradiao solar inicial seleccionada o

rendimento total de converso apresentado na Tab. 2-6.

Tab. 2-6 Rendimento total de converso

Rendimento total de converso a partir da irradiao solar

Rendimento total de converso com clulas Si monocristalino 5,0%

Rendimento total de converso com clulas Si amorfo 2,7%

Estado da arte

27

Foi seleccionado a regio de Vila Real e o ms de Dezembro como local e perodo de

menor irradiao solar por ano no territrio portugus. Por isso, o clculo inicia com o valor

de 2380 Wh/m2/dia que corresponde a irradiao solar neste local durante este perodo. O

eq-sensor tem o seu painel solar horizontal e por esta razo, foi calculado no Anexo A, a

influncia da inclinao na luz directa sobre o eq-sensor em posio horizontal. O factor de

ocultao do eq-sensor pelos veculos se torna importante para valores elevados de trfego

rodovirio e este fenmeno foi tomado em considerao no modelo. A influncia do

rendimento das clulas solares tambm um parmetro relevante e o progresso tecnolgico

na captao fotovoltaca da energia solar concorre para aumentar a rentabilidade do

sistema. As clulas de Si monocristalino tm um rendimento superior a 15% mas as

dimenses disponveis iniciam partir de 12 cm de dimetro. As clulas de Si amorfo e

policristalino com rendimento a partir de 8% so disponveis em dimenses mais pequenas

e em projecto industriais, podem ser fabricadas com medidas especficas.

A potncia captvel Pc para uma potncia radiada Pr de 2380 Wh/m2/dia durante o ms de

Dezembro em Vila Real, de 119 Wh/m2/dia com clulas fotovoltaicas de Si monocristalino

e de 63 Wh/m2/dia para clulas de menor rendimento. O rendimento de converso do eq-

sensor com o captor fotovoltaico horizontal e clulas de Si monocristalino de 5% e com

clulas policristalino ou amorfo de 2,7%.

Soluo

29

3 Soluo

O eq-sensor deve detectar a passagem de um veculo e digitalizar a sua assinatura

magntica com base na variao do CMT. De seguida deve enviar, em tempo real, a

assinatura magntica digitalizada que permite contar os veculos e retirar o mximo de

informao de identificao sobre o nmero de eixos, tipo e marca de veculo, tamanho,

entre outras caractersticas. Esta identificao, fora do mbito desta tese, dever ser

efectuada por correlao com assinaturas magnticas anteriormente recolhidas,

classificadas manualmente e associada cada uma uma ficha de modelo de veculo na

base de dados do SA.

3.1 Esquema bloco da soluo

A soluo composta por vrios blocos lgicos na Fig 3.1, com funes prprias e

interfaces entre si. Por um lado o eq-sensor tem uma funo analgica de medida do campo

magntico envolvente, por outro, ele tem uma funo de converso ao formato digital desta

informao analgica e de processamento destes dados. Finalmente, o bloco rdio

constitudo por um transceiver que se encarrega das comunicaes sem fios. A funo de

alimentao e autonomia energtica assegurada pelo bloco energtico. Por alm de ter

um nmero reduzido de interface, os blocos tm uma operao no permamente e podem

ser suspensos para economizar o consumo energtico do sistema quando no so precisos.

Fig. 3-1 Blocos lgicos da soluo do eq-sensor

Soluo

30

3.2 Arquitectura

Os requisitos fundamentais da arquitectura foram elaborados para cumprir com um conjunto

de caractersticas que um produto ideal ter. Pretende-se optimizar a arquitectura com base

nos seguintes critrios:

Autonomia energtica (perodo de tempo sem interveno tcnica para troca de pilha, de

baterias recargveis ou do hipercondensador);

Sem manuteno;

Longa vida til;

Informao em tempo real;

Comunicaes sem fios;

Pequena dimenso.

Parte destes requisitos so cumpridos com a seleco adequada dos componentes. A

autonomia energtica e a autonomia do eq-sensor dependem do funcionamento da soluo,

ou seja, do circuito electrnico seleccionado. A arquitectura procura optimizar a poupana

energtica. Esta depende de trs factores:

1. Trfego rodovirio;

2. Ritmo de envio de dados na rede sem fios;

3. Arquitectura electrnica do eq-sensor.

O trfego rodovirio um parmetro externo e que no pode ser adaptado.

O ritmo de envio de dados na rede sem fios proporcional ao nmero de assinaturas a

enviar. A norma ZigBee tem um excesso (overhead) de potncia gasta para cada incio de

transaco durante o qual solicitada a associao do eq-sensor rede. Este excesso

significativo quando os dados a enviar so constitudos por poucos pacotes de dados, por

exemplo, a assinatura de uma viatura de 5 metros com 10 amostras por metro de veculo

cabe em 80 bytes, ou seja, num pacote ZigBee. Com um protocolo simplificado, p.e. o Stack

SIMPLICITI da Texas Instruments, que permite eliminar a associao prvia e autoriza o

envio imediato e no solicitado de pacotes de dados, o envio de assinaturas mais rpido e

eficaz. Neste caso, o envio agrupado de assinaturas ou isolado tem o mesmo custo

energtico. Com o protocolo ZigBee, o overhead de associao torna mais econmico o

envio agrupado de assinaturas.

O envio agrupado tem no entanto um conjunto de problemas que o tornam pouco atraente,

tais como:

Soluo

31

O eq-sensor deve funcionar em tempo real, no entanto o envio agrupado introduz

atrasos;

A memria disponvel no componente seleccionado no mximo de 8 kBytes de RAM

sendo que o Stack ZigBee utiliza praticamente 6 kBytes e no permite criar uma fila de

espera com vrias assinaturas;

A acumulao de assinaturas pode conduzir a uma situao de bloqueio: na altura de

enviar muitos dados podem existir veculos prximos. Esta situao resolve-se com a

perda de deteco de um veculo ou o cancelamento dos envios em curso e limpeza da

fila de espera. Nos dois casos, perde-se informao. O modelo de envio em tempo real

aproveita o tempo que existe entre dois veculos para enviar a assinatura e por isso

anula o cenrio de perda de informao.

Por estas razes, o envio em tempo real depois da digitalizao da assinatura de um carro

foi seleccionado como mtodo de envio das assinaturas no existindo portanto

implementao no firmware do envio agrupado e diferido.

A optimizao energtica concentra-se na arquitectura electrnica do eq-sensor. Esta

admite 4 modelos:

1. Sem optimizao: todos os componentes so sempre alimentados ficando apenas ao

P a possibilidade de controlar por firmware a poupana de energia do seu mdulo

rdio. Esta arquitectura serve de referncia para avaliar a performance da poupana em

energia das outras arquitecturas;

2. Por interrupo. O bloco analgico incluindo o magnetmetro, associado a um conjunto

de AmpOp seguem em permanncia a variao do CMT e geram uma interrupo

quando esta ultrapassa um patamar (threshold) que assinala a passagem de um veculo.

Utiliza-se uma operao diferencial positiva ou negativa. O P, Central Processing Unit,

em estado adormecido (sleeping state), activado pela funo de interrupo

configurada para um dos seus PIN de entrada. O P pode ter, em paralelo, um contador

de despertar para executar tarefas de manuteno peridicas. A poupana reside na

suspenso da actividade do P durante as pausas sem veculo mas o bloco analgico

com o magnetmetro e os AmpOps que geram a interrupo, devem ser alimentados

permanentemente;

3. Chopper. Esta arquitectura procura melhorar a arquitectura 2) Por interrupo, criando

um ciclo de trabalho / repouso sobre o magnetmetro e dos AmpOps. Um chopper

Soluo

32

controla o ciclo activando / desactivanto a alimentao do bloco analgico. A

funcionalidade do bloco analgico permanece intacta em relao ao modelo 2).

4. P Mestre. O microprocessad