Orientador: Jozué Vieira Filho / Banca: Suely Cunha Amaro Mantovani / Banca: José Raimundo de Oliveira / Resumo: A aquisição de dados tem evoluído de forma significativa nos últimos anos e passa a ser indispensável em várias aplicações nas áreas de engenharia, agricultura, medicina, aeronáutica, etc. O estado da arte nessa área envolve o uso de sistemas de comunicação sem fio e da internet. Neste trabalho é apresentado um sistema moderno de aquisição de dados, que é baseado em uma comunicação sem fio via rede GSM (Global Mobile for System), com conexão via Internet através de um sistema de telefonia celular GPRS (General Packet Radio Service), monitoramento de dados via página Web (World Web Browser) e interface de aplicação com base em um microcontrolador. O sistema é bastante flexível e foi testado em operações reais no monitoramento de temperatura ambiente. Os resultados obtidos são altamente satisfatórios e mostra que o sistema pode servir de base para aplicações em diferentes áreas onde a telemetria seja indispensável. / Abstract: Data acquisition has significantly been developed in the last years and became indispensable in many application area of engineering such as agriculture, medicine, aeronautic, etc. The state of art in this area is basead on wireless communication system and Internet. In this work it is presented a modern data acquisition based on wireless communication through the Internet, which includes a Celular Mobile GPRS (General Packet Radio Service) in a GSM (Global Mobile System) network, and remote data monitoring via WEB (World Web Browser) that can be used in a Telemetry Network construction. The system was tested in real conditions as a temperature monitoring system based on a microcontroller and it has presented good results. The high flexibility model proposed allows to use it in many distinct applications that require remote data acquisition. / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-04-13Bitstream added on 2014-06-13T20:07:40Z : No. of bitstreams: 1 tateoki_gt_me_ilha.pdf: 862690 bytes, checksum: 448d8bedc160b95654695c9900b1d0fe (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A aquisição de dados tem evoluído de forma significativa nos últimos anos e passa a ser indispensável em várias aplicações nas áreas de engenharia, agricultura, medicina, aeronáutica, etc. O estado da arte nessa área envolve o uso de sistemas de comunicação sem fio e da internet. Neste trabalho é apresentado um sistema moderno de aquisição de dados, que é baseado em uma comunicação sem fio via rede GSM (Global Mobile for System), com conexão via Internet através de um sistema de telefonia celular GPRS (General Packet Radio Service), monitoramento de dados via página Web (World Web Browser) e interface de aplicação com base em um microcontrolador. O sistema é bastante flexível e foi testado em operações reais no monitoramento de temperatura ambiente. Os resultados obtidos são altamente satisfatórios e mostra que o sistema pode servir de base para aplicações em diferentes áreas onde a telemetria seja indispensável. / Data acquisition has significantly been developed in the last years and became indispensable in many application area of engineering such as agriculture, medicine, aeronautic, etc. The state of art in this area is basead on wireless communication system and Internet. In this work it is presented a modern data acquisition based on wireless communication through the Internet, which includes a Celular Mobile GPRS (General Packet Radio Service) in a GSM (Global Mobile System) network, and remote data monitoring via WEB (World Web Browser) that can be used in a Telemetry Network construction. The system was tested in real conditions as a temperature monitoring system based on a microcontroller and it has presented good results. The high flexibility model proposed allows to use it in many distinct applications that require remote data acquisition.

Nos últimos anos tem sido observado um aumento na utilização de redes sem fio em ambientes industriais, em função de diversas vantagens relacionadas à redução de custos de cabeamento, mobilidade e facilidade de inserção, instalação e configuração de novos dispositivos. Entretanto, a aplicação de redes sem fio em sistemas de automação apresenta requisitos mais rígidos no que diz respeito à confiabilidade, segurança e garantias de entrega de mensagens. O protocolo WirelessHART é um padrão aberto de comunicação sem fio que busca atender a estes requisitos. Neste protocolo, um dispositivo conhecido como gerenciador de rede é responsável pela configuração, definição das rotas e alocação de recursos para a comunicação entre os dispositivos da rede. A definição de rotas consiste em um processo complexo, em função das características das redes sem fio, dos recursos restritos dos dispositivos e dos requisitos da aplicação. O ambiente desenvolvido nesta dissertação tem como objetivo permitir a avaliação das rotas determinadas por diferentes algoritmos de roteamento, auxiliando no desenvolvimento, comparação, ajuste de parâmetros e na identificação de problemas. O ambiente também tem como objetivo permitir a monitoração de redes WirelessHART operacionais, através da captura do tráfego na camada física, obtendo informações sobre as condições reais de operação, onde anomalias e problemas na topologia e nas rotas utilizadas na rede podem ser identificados. A ferramenta proposta foi validada com alguns estudos de estudos de caso, que também são apresentados neste trabalho. Os estudos envolveram a análise e ajuste de parâmetros de um algoritmo de definição de rotas estado da arte modificado, e a obtenção de topologias e rotas utilizadas em uma rede WirelessHART operacional. / In the last years the use of wireless networks in industrial environments has been observed, due to several advantages related to the reduction of cabling costs, mobility and ease of integration, installation and configuration of new devices. However, the implementation of wireless networks in automation systems introduces stringent requirements regarding reliability, security and message delivery guarantees. The WirelessHART protocol is an open standard for wireless communication that aims to meet these requirements. In this protocol, a device known as network manager is responsible for the configuration, routes definition, and resource allocation for communication between network devices. The route definition consists of a complex process, due to the wireless networks characteristics, limited resources of devices and application requirements. The environment developed in this work has as objective to enable the evaluation of the routes determined by different routing algorithms, helping in the development, comparison, tuning of parameters and in the identification of possible design problems. The environment also has as objective to allow the monitoring of operational WirelessHART networks, by capturing packets at the physical layer, obtaining information of operating conditions, where anomalies and problems in network topology and routes can be identified. The developed tool has been experimentally validated via some case studies, which are also described in this work. The study cases involved the analysis and tuning of parameters of a state-of-art modified route definition algorithm, and the capture of the current topology and routes of an operational WirelessHART network.

Redes de sensores sem fio tem ganhado grande destaque em diferentes aplicações, tais como, domésticas, comercial e industrial, trazendo mais flexibilidade e mais conveniência em nossas vidas. Entretanto, seu desempenho é influenciado por diversos fatores como, por exemplo, características do ambiente de propagação das ondas de rádio e outras tecnologias de comunicação sem fio que podem coexistir em uma mesma área de cobertura. Os recursos utilizados nas comunicações sem fio são limitados e muitas vezes não exclusivos possibilitando interferências provenientes de diferentes tipos de fontes. O presente trabalho busca soluções para o uso mais eficiente dos recursos da rede de comunicação sem fio, são investigados e propostos métodos adaptativos para uma rede sem fio industrial, o protocolo WirelessHART, utilizando mecanismos dinâmicos de sensoriamento de espectro e seleção de canal entre os dispositivos da rede. É apresentado uma arquitetura de gerenciamento do espectro em conformidade com o protocolo, baseado em sensoriamento do espectro distribuído e no monitoramento do desempenho das comunicações. A arquitetura utilizada permite a classificação de um conjunto de canais específicos entre os pares de dispositivos durante a operação da rede de comunicação. O trabalho demonstra o desempenho dos mecanismos desenvolvidos para a detecção de interferências com redes do tipo IEEE 802.11. / Wireless sensor networks have been expanding rapidly in many applications for different areas such as residential, office and industrial. Wireless connections bring many advantages as installation feasibility, scalability, mobility and reduce infrastructure costs. However, wireless network performance is affected by many factors as, for example, environment characteristics and other wireless communication technologies at the same coverage area. The wireless communication resources are limited and many times shared, allowing interferences from different kind of electromagnetic sources. This work presents a solution for an efficient use of the wireless communication network resources, investigate and propose adaptive methods for an industrial wireless network, the WirelessHART protocol, using dynamic mechanisms of spectrum sensing and channel selection between the devices. A protocol spectrum management architecture based on distributed sensing and monitoring of communications performance is presented, in compliance with WirelessHART protocol, allowing the classification of a set of specific channels between peer devices during the communication network’s operation. Also, it is presented the channel selection performance for IEEE 802.11 interference.

Os sistemas de comunicação sem fio vem ganhando cada vez mais espaço no cenário das comunicações digitais. Em relação aos tradicionais sistemas cabeados, as tecnologias de comunicação sem fio evitam a necessidade de infraestruturas de alto custo, tornam a rede mais flexível, trazem facilidades de reconfiguração e a portabilidade para terminais móveis. Com o crescimento e aprimoramento nos usos das redes de automação novas soluções de comunicação estão surgindo entre elas sistemas de comunicação sem fio que possam ser confiáveis e para aplicações em ambientes mais críticos. Em paralelo o espectro de frequência tem sido cada vez mais ocupado devido à grande demanda, especialmente a faixa de espectro não licenciada. A faixa de frequência de 2.4 GHz (ISM), por exemplo, tem sido vastamente explorada e deve ser atualmente a mais utilizada no mundo, especialmente pela aplicação das grandes redes de comunicação como a world wide web. Este trabalho aborda um estudo sobre coexistência do primeiro protocolo certificado para comunicação sem fio aplicado à indústria, o WirelessHART. É apresentada uma visão geral do protocolo, os diferentes mecanismos de coexistência propostos no padrão e ainda um conjunto de ferramentas desenvolvidas para a análise de desempenho do protocolo WirelessHART. Os estudos de caso utilizam os padrões IEEE 802.11g, IEEE 802.15.1 e o próprio WirelessHART, sendo aplicados a análises experimentais estando presentes condições reais de propagação de sinais de rádio frequência, as quais são muitas vezes simplificadas nos tradicionais trabalhos em ambientes simulados. / Wireless communication systems are gaining more space in digital communications area. Compared to traditional wired systems, wireless communication technologies avoid the need for costly infrastructure, making the networks more flexible, improving portability and allowing an easier reconfiguration of mobile terminals. With the growth and improvement in the use of automation networks, new solutions are emerging in the communication systems, including reliable wireless communication for applications in critical environments. In parallel the frequency spectrum has become increasingly busy due to high demand, especially the unlicensed spectrum band. The frequency range of 2.4 GHz (ISM), for example, has been widely explored worldwide, especially by the application of large communication networks such as the world wide web. This work discusses a study on coexistence of the first certified industrial wireless communication protocol, the WirelessHART. It presents an overview of the protocol, the different coexistence mechanisms proposed in the standard and also a set of tools developed for the performance and coexistence analysis of WirelessHART. Case studies assessing the impact of IEEE 802.11g, IEEE 802.15.1 as well as of other WirelessHART networks experimentally are presented, on which real conditions of propagation of radio frequency signals, which are often simplified in traditional work in simulated environments, are evaluated. Obtained results indicated the adequacy of WirelessHart for industrial applications.

O crescimento na utilização de redes de sensores sem fio possibilitou desenvolver melhorias para atender as necessidades da indústria de comunicação de dispositivos em função de diversas vantagens relacionadas a baixo custo, baixo consumo de energia, mobilidade, instalação e configuração de novos dispositivos, além disso, criar funcionalidades adicionais, como por exemplo, localização de engenheiros de campo e ativos em ambientes industriais. O protocolo WirelessHART é um padrão aberto de comunicação sem fio que busca atender a estes requisitos. Neste trabalho é apresentado o estudo e desenvolvimento de uma aplicação de localização de um objeto alvo através da rede WirelessHART. São analisados diferentes métodos para estimar a distância entre o objeto alvo e os outros elementos fixos da rede de sensores sem fio, algoritmos para computar dados e determinar a localização em um plano de coordenadas. O funcionamento do sistema proposto e o método de localização utilizado foram avaliados por meio de simulações e de testes práticos. Para as condições utilizadas de instalação dos dispositivos, foi possível obter um alcance na comunicação via rádio de mais de 100 m, o que permitiu determinar uma área de monitoração do sistema de cerca de 100 m x 100 m. Os resultados obtidos do erro de localização atingiram entre um 72% e 80% de estimativas de localização menores que a 5 metros. O trabalho abordou a criação e avaliação de critérios de escolha para obter conjuntos de três transmissores com probabilidade de erros menores do que 5 metros. A avaliação dos critérios é feita através da construção de uma tabela de probabilidade conjunta obtida a partir da aplicação da regra de Bayes em dados experimentais com erro de posicionamento conhecido. / The growth in the use of wireless sensor networks has made possible the development of improvements that meet the needs of the communication industry, including several devices with to low cost, low power consumption, mobility and ease of integration, installation and configuration advantages. Not only that but they also create additional functionalities, such as showing the location of field engineers who are assets in industrial environments. The WirelessHART protocol is an open standard for wireless communication that seeks to meet these qualities. This study presents a development of an application for the localization of a mobile device via the WirelessHART network. Different methods are analyzed to estimate the distance between the mobile node and the other fixed elements of the wireless sensor network, such as deployment topologies and algorithms, which are used to compute the data and determine the location in a coordinate plane. The operation of the proposed system and the location method were evaluated by means of simulations and practical tests. Due to the conditions used for the installation of the devices, it was possible to obtain a range of radio transmission over 100 m, which allowed to determine an area of monitoring system of about 100 m x 100 m. The results obtained from the error location reached between a 72% and 80% of the estimated localization that was less than 5 meters. The study addressed the establishment and evaluation of selection criteria for sets of three transmitters with probability of less than 5 meters errors. The evaluation criteria is done by constructing a joint probability table obtained from the application of Bayes rule in experimental data with known positioning error.

O crescimento na utilização de redes de sensores sem fio possibilitou desenvolver melhorias para atender as necessidades da indústria de comunicação de dispositivos em função de diversas vantagens relacionadas a baixo custo, baixo consumo de energia, mobilidade, instalação e configuração de novos dispositivos, além disso, criar funcionalidades adicionais, como por exemplo, localização de engenheiros de campo e ativos em ambientes industriais. O protocolo WirelessHART é um padrão aberto de comunicação sem fio que busca atender a estes requisitos. Neste trabalho é apresentado o estudo e desenvolvimento de uma aplicação de localização de um objeto alvo através da rede WirelessHART. São analisados diferentes métodos para estimar a distância entre o objeto alvo e os outros elementos fixos da rede de sensores sem fio, algoritmos para computar dados e determinar a localização em um plano de coordenadas. O funcionamento do sistema proposto e o método de localização utilizado foram avaliados por meio de simulações e de testes práticos. Para as condições utilizadas de instalação dos dispositivos, foi possível obter um alcance na comunicação via rádio de mais de 100 m, o que permitiu determinar uma área de monitoração do sistema de cerca de 100 m x 100 m. Os resultados obtidos do erro de localização atingiram entre um 72% e 80% de estimativas de localização menores que a 5 metros. O trabalho abordou a criação e avaliação de critérios de escolha para obter conjuntos de três transmissores com probabilidade de erros menores do que 5 metros. A avaliação dos critérios é feita através da construção de uma tabela de probabilidade conjunta obtida a partir da aplicação da regra de Bayes em dados experimentais com erro de posicionamento conhecido. / The growth in the use of wireless sensor networks has made possible the development of improvements that meet the needs of the communication industry, including several devices with to low cost, low power consumption, mobility and ease of integration, installation and configuration advantages. Not only that but they also create additional functionalities, such as showing the location of field engineers who are assets in industrial environments. The WirelessHART protocol is an open standard for wireless communication that seeks to meet these qualities. This study presents a development of an application for the localization of a mobile device via the WirelessHART network. Different methods are analyzed to estimate the distance between the mobile node and the other fixed elements of the wireless sensor network, such as deployment topologies and algorithms, which are used to compute the data and determine the location in a coordinate plane. The operation of the proposed system and the location method were evaluated by means of simulations and practical tests. Due to the conditions used for the installation of the devices, it was possible to obtain a range of radio transmission over 100 m, which allowed to determine an area of monitoring system of about 100 m x 100 m. The results obtained from the error location reached between a 72% and 80% of the estimated localization that was less than 5 meters. The study addressed the establishment and evaluation of selection criteria for sets of three transmitters with probability of less than 5 meters errors. The evaluation criteria is done by constructing a joint probability table obtained from the application of Bayes rule in experimental data with known positioning error.

Nos últimos anos tem sido observado um aumento na utilização de redes sem fio em ambientes industriais, em função de diversas vantagens relacionadas à redução de custos de cabeamento, mobilidade e facilidade de inserção, instalação e configuração de novos dispositivos. Entretanto, a aplicação de redes sem fio em sistemas de automação apresenta requisitos mais rígidos no que diz respeito à confiabilidade, segurança e garantias de entrega de mensagens. O protocolo WirelessHART é um padrão aberto de comunicação sem fio que busca atender a estes requisitos. Neste protocolo, um dispositivo conhecido como gerenciador de rede é responsável pela configuração, definição das rotas e alocação de recursos para a comunicação entre os dispositivos da rede. A definição de rotas consiste em um processo complexo, em função das características das redes sem fio, dos recursos restritos dos dispositivos e dos requisitos da aplicação. O ambiente desenvolvido nesta dissertação tem como objetivo permitir a avaliação das rotas determinadas por diferentes algoritmos de roteamento, auxiliando no desenvolvimento, comparação, ajuste de parâmetros e na identificação de problemas. O ambiente também tem como objetivo permitir a monitoração de redes WirelessHART operacionais, através da captura do tráfego na camada física, obtendo informações sobre as condições reais de operação, onde anomalias e problemas na topologia e nas rotas utilizadas na rede podem ser identificados. A ferramenta proposta foi validada com alguns estudos de estudos de caso, que também são apresentados neste trabalho. Os estudos envolveram a análise e ajuste de parâmetros de um algoritmo de definição de rotas estado da arte modificado, e a obtenção de topologias e rotas utilizadas em uma rede WirelessHART operacional. / In the last years the use of wireless networks in industrial environments has been observed, due to several advantages related to the reduction of cabling costs, mobility and ease of integration, installation and configuration of new devices. However, the implementation of wireless networks in automation systems introduces stringent requirements regarding reliability, security and message delivery guarantees. The WirelessHART protocol is an open standard for wireless communication that aims to meet these requirements. In this protocol, a device known as network manager is responsible for the configuration, routes definition, and resource allocation for communication between network devices. The route definition consists of a complex process, due to the wireless networks characteristics, limited resources of devices and application requirements. The environment developed in this work has as objective to enable the evaluation of the routes determined by different routing algorithms, helping in the development, comparison, tuning of parameters and in the identification of possible design problems. The environment also has as objective to allow the monitoring of operational WirelessHART networks, by capturing packets at the physical layer, obtaining information of operating conditions, where anomalies and problems in network topology and routes can be identified. The developed tool has been experimentally validated via some case studies, which are also described in this work. The study cases involved the analysis and tuning of parameters of a state-of-art modified route definition algorithm, and the capture of the current topology and routes of an operational WirelessHART network.

Os sistemas de comunicação sem fio vem ganhando cada vez mais espaço no cenário das comunicações digitais. Em relação aos tradicionais sistemas cabeados, as tecnologias de comunicação sem fio evitam a necessidade de infraestruturas de alto custo, tornam a rede mais flexível, trazem facilidades de reconfiguração e a portabilidade para terminais móveis. Com o crescimento e aprimoramento nos usos das redes de automação novas soluções de comunicação estão surgindo entre elas sistemas de comunicação sem fio que possam ser confiáveis e para aplicações em ambientes mais críticos. Em paralelo o espectro de frequência tem sido cada vez mais ocupado devido à grande demanda, especialmente a faixa de espectro não licenciada. A faixa de frequência de 2.4 GHz (ISM), por exemplo, tem sido vastamente explorada e deve ser atualmente a mais utilizada no mundo, especialmente pela aplicação das grandes redes de comunicação como a world wide web. Este trabalho aborda um estudo sobre coexistência do primeiro protocolo certificado para comunicação sem fio aplicado à indústria, o WirelessHART. É apresentada uma visão geral do protocolo, os diferentes mecanismos de coexistência propostos no padrão e ainda um conjunto de ferramentas desenvolvidas para a análise de desempenho do protocolo WirelessHART. Os estudos de caso utilizam os padrões IEEE 802.11g, IEEE 802.15.1 e o próprio WirelessHART, sendo aplicados a análises experimentais estando presentes condições reais de propagação de sinais de rádio frequência, as quais são muitas vezes simplificadas nos tradicionais trabalhos em ambientes simulados. / Wireless communication systems are gaining more space in digital communications area. Compared to traditional wired systems, wireless communication technologies avoid the need for costly infrastructure, making the networks more flexible, improving portability and allowing an easier reconfiguration of mobile terminals. With the growth and improvement in the use of automation networks, new solutions are emerging in the communication systems, including reliable wireless communication for applications in critical environments. In parallel the frequency spectrum has become increasingly busy due to high demand, especially the unlicensed spectrum band. The frequency range of 2.4 GHz (ISM), for example, has been widely explored worldwide, especially by the application of large communication networks such as the world wide web. This work discusses a study on coexistence of the first certified industrial wireless communication protocol, the WirelessHART. It presents an overview of the protocol, the different coexistence mechanisms proposed in the standard and also a set of tools developed for the performance and coexistence analysis of WirelessHART. Case studies assessing the impact of IEEE 802.11g, IEEE 802.15.1 as well as of other WirelessHART networks experimentally are presented, on which real conditions of propagation of radio frequency signals, which are often simplified in traditional work in simulated environments, are evaluated. Obtained results indicated the adequacy of WirelessHart for industrial applications.

Orientador: Ivanil Sebastião Bonatti / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-03T06:12:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silveira_RosannaMaraRocha_M.pdf: 5852750 bytes, checksum: b92fd7aba11c5b0521d09510656651d8 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: Este trabalho analisa os mecanismos de múltiplo acesso em redes de comunicação sem fio e de faixa larga usando tecnologia A TM (Asynchronous Transfer Mode). O enlace de uplink, do terminal para a estação rádio-base, usa a técnica TOMA (Time Division Multiple Access) combinando janelas de contenção e janelas de reserva. O enlace de downlink, da estação rádio-base para os terminais, usa técnica TOM (Time Oivision Multiplexing) em modo de difusão. A metodologia de análise é baseada em simulações de Monte Carlo e de evento discreto. Os mecanismos analisados são: algoritmos de resolução de contenção; algoritmos para agendamento dos pedidos de reserva; piggybacking, algoritmos para alocação dinâmica das janelas de contenção e das janelas de reserva; tamanho dos quadros, tamanho das janelas de contenção; e prioridade de atendimento para terminais com tráfego em tempo real. Através da análise comparativa de desempenho dos diversos mecanismos envolvidos no múltiplo acesso, uma proposta, agregando todos os componentes, é avaliada para tráfegos em tempo real e não em tempo real, poissonianos ou não / Abstract: This work analyses the mechanisms of multiple access in broadband wireless communication networks using ATM (Asynchronous Transfer Mode) technology. The uplink - from terminals to the base station - uses the TOMA (Time Division Multiple Access) technique with contention and reservation slots. The downlink - from the base station to the terminals - uses the TOM (Time Division Multiplexing) in a broadcasting way. The methodology of analysis is based on Monte Carlo and discrete event simulations. The mechanisms under analysis are: contention resolution algorithms; algorithms to schedule reservation requests; piggybacking; dynamic allocation algorithms for contention and reservation slots; frame length and contention slot length; and priority for real time traffic. By means of the comparative analysis of performance of the several mechanisms involved in the multiple access, a proposal, joining all the components, is evaluated for real time traffic and non-real time traffic, with Poisson and non-Poisson traffics / Mestrado / Mestre em Engenharia Elétrica