Sistema Distribuído de Medição de Grandezas Físicas
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Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Ramo Electrónica e Computadores Sistema Distribuído de Medição de Grandezas Físicas Realizado por: Nuno Camilo nº 99 216 3509 Isaac Correia nº02 216 4971 Com a orientação do: Professor António Abreu Novembro 2007 Diapositivo 1 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Resumo • • • • • • • • • • Introdução Apresentação do sistema Software Hardware Rede Wireless Segurança Tramas de comunicação Testes realizados Conclusões Futuros desenvolvimentos Diapositivo 2 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Introdução • ü • ü ü ü Motivação A necessidade de controlo e monitorização de dispositivos e grandezas físicas, em edifícios. Objectivo Desenvolver um sistema que permita a transmissão sem fios da informação de controlo e monitorização de vários dispositivos, estando estes localizados nas divisões de uma habitação. Criar uma base de dados para armazenamento da informação gerada no sistema. Desenvolver uma aplicação WEB para visualizar a informação gerada. Diapositivo 3 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Apresentação do Sistema Módulos Slave ü Microcontrolad or ü Módulo ü Wireless Módulo Central Microcontrolad ü ü or ü Módulo Wireless ü Cartão memória ü Ligação USB PC / Servidor ü ü Base de dados Aplicação Windows ü Aplicação WEB ü Diapositivo 4 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Software ü ü Base de dados Aplicação Windows ü Diapositivo 5 de 23 Aplicação WEB Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Software - Base de Dados • Objectivos ü ü ü ü • Guardar os dados recolhidos pelos diversos módulos slave Estruturar e relacionar os dados armazenados Facilitar o processo de consulta da informação Segurança da informação Ferramenta de desenvolvimento: ORACLE Razões da escolha: ü Distribuição gratuita para particulares. ü Ferramentas de apoio ao desenvolvimento • Processo de desenvolvimento: ü ü ü ü Diapositivo 6 de 23 Análise requisitos Diagrama entidade-relação Diagrama relacional Scripts de criação da base dados Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Software - Base de Dados • Diagrama relacional: Diapositivo 7 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Software - Aplicação Windows Objectivos: Estabelecer a comunicação entre o módulo central e a base de dados. ü Permitir a visualização de informações adicionais: ü Configurações da ligação USB ü Informação do cartão memória ü Informação sobre os dispositivos activos na rede ü Ferramenta de desenvolvimento: Visual Basic .NET ü Diapositivo 8 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Software - Aplicação Windows Configurações USB ü ü Teste Conexão Teste Comunicação Cartão Memória ü ü ü ü Diapositivo 9 de 23 Formatação Cartão Espaço Ocupado Espaço Disponível Espaço Total Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Software - Aplicação Windows Rede ü ü Listagem módulos slave activos da red Informações de cada módulo Transferência de dados ü ü ü ü ü Diapositivo 10 de 23 Recepção de dados do módulo central Envio para a base de dados Listagem dos dados recebidos Adição de novos módulos na base dad Garantia da integridade dos dados Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Software - Aplicação WEB Acesso a aplicação WEB O acesso é restrito a utilizadores autenticados ü Permite vários utilizadores ü Segurança: ü Microsoft SQL Server Ferramenta Desenvolvimento: ü ASP .NET (Script: VB .NET) Acesso Base de dados: ü SQL Publicação da aplicação WEB: ü Diapositivo 11 de 23 Internet Security Service (ISS) Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Software - Aplicação WEB Selecção da divisão Para seleccionar a divisão, pressionar sobre a imagem da divisão pretendida ü Acesso as informações da divisão seleccionada ü Informação dos módulos associados Hierarquia da informação: Divisão Módulos Grandezas, Anomalias e Comando Diapositivo 12 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Software - Aplicação WEB Estatísticas dos dados recebidos Diapositivo 13 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Hardware ü Microcontrolador ü Cartão Memória ü Diapositivo 14 de 23 Xbee Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Hardware Objectivos: Microcontrolador Gerir e controlar comunicação na rede ü Gerir a comunicação USB entre o módulo central e o PC ü Requisitos: Interface USB ü Interface Série para comunicar com Xbee ü Interface SPI para comunicar com cartão de memória e LCD ü Tensões de alimentação de 3,3Volt ü Disponibilidade de memória RAM (minímo 2KB) ü Microcontroladores utilizados: PIC18F2550 (Módulo central) ü PIC18F2455 (Módulos slave) ü Linguagem de programação: C (CCS) ü Diapositivo 15 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Hardware - Cartão Memória Objectivo: Armazenar temporariamente os dados adquiridos pelos módulos slave Vantagens: Baixo custo por bit. ü Espaço disponível pode ascender a 4GB. ü Facilidade de substituição ü Facilidade de comunicação (SPI) ü Diapositivo 16 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Hardware - Xbee Objectivos: Eliminar o uso de cabos ü Estabelecer a ligação entre módulos da rede ü Características: Flexibilidade ü Substituição simples ü Mobilidade ü IEEE 802.15.4 ü XBee Alcance Interior Alcance Exterior Consumo Energia Potência do sinal Sensibilidade do receptor Modo sleep Frequência rádio Taxa de transferência Diapositivo 17 de 23 XBeePRO 30m 100m TX: 45mA / RX: 50mA (3.3V) 1 mW -92dBm 100m 1500m TX: 215mA / RX: 55mA (3.3V) 100mW -100dBm 10µA 2.4GHz 250 Kbps 10µA 2.4GHz 250Kbps Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Rede Wireless ü Topologia de rede ü Módulo master ü Diapositivo 18 de 23 Módulo slave Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Rede Wireless – Topologia de rede Topologia implementada: Estrela Características: Simples de implementar ü Fácil de gerir ü Coordinator (master) assume controlo na comunicação da rede ü End-Device (slave) apenas comunica com o coordenador ü Diapositivo 19 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Rede Wireless – módulos da rede Tipos: ü Módulo master ü Módulo slave Características comuns: ü Nome de identificação ü Número de série ü Endereço de origem Diapositivo 20 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Rede Wireless – Módulo Master Características: Módulo central da rede ü Faz pedidos de amostras e anomalias aos módulos slave ü Guarda informação recebida dos módulos slave ü Comunica com o computador pessoal ü Módulo autónomo, não necessita de ligação permanente ao PC ü Permite guardar em RAM configurações de 8 módulos slave activos na rede ü Faz um varrimento aos módulos encontrados em busca de dados ü Diapositivo 21 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Rede Wireless – Módulo slave Características: Módulo secundário da rede ü Apenas responde se o módulo master perguntar ü Necessita de um dispositivo que lhe forneça energia e os dados ü Permite guardar em RAM configurações de 32 módulos activos na rede ü Atribui a si próprio um nome de identificação ü Quando o módulo master é encontrado é actualizado o endereço de destino ü Caso o módulo master não seja encontrado, os módulos slave’s entram em modo sleep ü Diapositivo 22 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Segurança ü Encriptação de dados ü Diapositivo 23 de 23 Integridade dos dados Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Segurança Encriptação de dados: ü ü ü A encriptação é feita pelo módulo Xbee usando uma chave de encriptação previamente configurada. O sistema de encriptação utilizado pelo XBee é o AES (Advanced Encryption Standard) de 128 bits A chave de encriptação é comum a todos os módulos da rede Integridade dos dados: ü O sistema de tramas implementado garante que os dados enviados só serão apagados após confirmação de recepção e armazenamento Diapositivo 24 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Tramas de comunicação ü ü Diapositivo 25 de 23 Tramas das amostras Tramas das anomalias Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Tramas de comunicação Amostras Pedido de amostras Trama resposta Confirmação Tipo Confirmação Byte Descrição ACK 0xF 0 Dados recebidos, válidos e gravados ERROR 0xF 1 Dados recebidos, mas inválidos BREAK 0xF 2 Dados recebidos, válidos, erro ao gravar Diapositivo 26 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Tramas de comunicação Anomalias Pedido de anomalias Trama resposta Confirmação Tipo Confirmação Byte Descrição ACK 0xF 0 Dados recebidos, válidos e gravados ERROR 0xF 1 Dados recebidos, mas inválidos BREAK 0xF 2 Dados recebidos, válidos, erro ao gravar Diapositivo 27 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Testes Realizados ü Cartão memória ü ü Diapositivo 28 de 23 Rede wireless Simulação de amostras Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Testes Realizados Cartão de memória: ü Foi feito um teste da capacidade onde se concluiu que um cartão de memória de 256MB teria uma duração de aproximadamente 3470 dias, gravando 2304 amostras diárias. Rede wireless: ü Foram realizados alguns testes simulando possiveis intrusões na rede, usando módulos externos configurados no mesmo canal e na mesma PAN. Simulação de amostras: ü Dado que o módulo slave apenas permite o envio de amostras e não contempla a sua medição, foi necessário implementar um sistema de geração de amostras aleatórias. Diapositivo 29 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Conclusões Devido á escassez de tempo e porque o sistema desenvolvido é um sistema que armazena informação recolhida ao longo do tempo, não houve possibilidade de se fazerem testes a longo prazo aos dispositivos de rede e á aplicação ü Este projecto constituiu um bom desafio ás nossas capacidades intelectuais e de trabalho conjunto, tendo em conta a variedade de conhecimentos adquiridos e tecnologias utilizadas, quer a nivel de hardware e software ü Chegada a esta fase e tendo em consideração as possíveis melhorias, julga-se que este projecto poderia passar de um trabalho académico e de investigação para uma produto comercial ü Diapositivo 30 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores Sistema Distríbuído de Medição de Grandezas Físicas Futuros desenvolvimentos Desenvolver os módulos de medição de grandezas. ü Alterar a topologia de rede em utilização, para uma topologia mesh, tendo como principal vantagem a expansão da rede, tendo em vista um aumento significativo no seu raio de alcance. ü Acrescentar á aplicação a funcionalidade de modificação de parâmetros da rede. Como por exemplo: poder através da aplicação alterar os tempos de aquisição de dados (sleep/standby). ü Efectuar uma melhoria significativa no sistema de estatísticas, de modo a permitir consultas mais detalhadas. ü Acrescentar funcionalidades de comando e controlo aos módulos da rede. ü Diapositivo 31 de 23 Projecto final de curso em Engenharia Electrotécnica e Computadores
