Desenvolvimento de solução híbrida de rede sem fio para

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Desenvolvimento de solução híbrida de rede
sem fio para aplicação de telemedição – Smart
grid
Luís Cláudio Palma Pereira*, Rogério Botteon Romano, Fabrício Lira Figueiredo, André Luís de
Souza, Antônio Augusto Netto de Faria, Fabrício Poloni dos Santos, Maria Luiza Carmona
Braga, Moisés dos Santos, William Lima de Souza
Este artigo apresenta os principais resultados alcançados em um projeto de desenvolvimento
experimental realizado no âmbito do programa de P&D Aneel. O programa teve como principal objetivo o
desenvolvimento e a validação da concepção de uma rede experimental híbrida sem fio, por meio da
integração de segmentos baseados nos padrões IEEE 802.15.4 (ZigBee) e 802.11b/g (Wi-Fi), da
implementação da funcionalidade Ad Hoc Mesh e do uso de faixas de frequência licenciadas com
atribuição Anatel SLP (Serviço Limitado Privado) nos segmentos do espectro de 250 MHz e 370 MHz. A
validação desse conceito foi realizada em testes de campo no CPqD, onde foram instalados os
protótipos da rede híbrida desenvolvidos, avaliados seu desempenho, suas funcionalidades e
capacidade de suportar aplicação típica de telemedição, através de aquisição remota de dados
disponibilizados por medidores eletrônicos.
Palavras-chave: Smart grid. Telemedição. Wi-Fi Mesh. ZigBee. SLP.
Abstract
This paper presents a brief description the main results achieved by a wireless access network solution
developed at CPqD and subject to requirements proposed within the scope of the R&D program. A
solution aimed at providing a hybrid wireless access network, integrating segments based on wellestablished standards, including IEEE 802.15.4 (ZigBee) and Ad Hoc Mesh 802.11b/g (Wi-Fi), but using
proprietary radio interfaces especially developed in order to operate in the SLP (Serviço Limitado Privado
– Limited Private Service) licensed frequency bands, as recently regulated by Anatel, was proposed and
approved. The new bands, comprising part of the reframed spectrum in the 250 MHz and 370 MHz bands
were used in the Ad Hoc Mesh backhaul segment and the ZigBee wireless devices, respectively, the
latter being integrated with residential smart metering devices in order to provide the means for large
scale telemetering in high density urban areas. Validation of the hybrid experimental network concept and
the developed prototypes was carried out in a field test environment set up at CPqD facilities.
Key words: Smart grid. Telemetering. Wi-Fi Mesh. ZigBee. SLP.
*
Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].
1
Introdução
Atualmente, existe grande interesse das
concessionárias de energia em tornar os
diversos segmentos da infraestrutura de
fornecimento de energia elétrica mais eficientes
e rentáveis. Esse interesse se traduziu em um
esforço concentrado de todas as partes
envolvidas do setor elétrico mundial, que
resultou inicialmente na criação do conceito de
arquitetura IntelliGrid pelo EPRI (Electric Power
Research Institute) e, posteriormente, do
conceito de smart grid, na Comunidade
Europeia.
A arquitetura IntelliGrid foi definida como uma
arquitetura aberta, padronizada e voltada para a
integração das redes de comunicação e dos
equipamentos necessários para suportar o
“Sistema de Transporte de Energia do Futuro”.
O termo smart grid refere-se a uma rede de
distribuição de energia elétrica que integra as
ações dos envolvidos nos segmentos de
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 1, p. 31-44, jan./jun. 2014
Desenvolvimento de solução híbrida de rede sem fio para aplicação de telemedição – Smart grid
fornecimento e de consumo, possibilitando o
desenvolvimento de um ecossistema capaz de
fornecer bens e serviços de forma mais
eficiente.
Assim, o conceito de smart grid viabiliza o
fornecimento de serviços inovadores aos
consumidores e também proporciona aos
fornecedores
de
energia,
entre
vários
benefícios, um melhor controle da rede e maior
simplicidade em operações como levantamento
de informações de consumo, implementação de
mecanismos de redução das perdas, incluindo
as econômicas, e modalidades de tarifação.
Nesse contexto, se destaca a relevância da
solução de rede sem fio proposta, com potencial
para suportar aplicações em telemedição
alinhadas com a visão estratégica das
concessionárias.
A solução desenvolvida com esse intuito
apresenta
importantes
diferenciais
em
comparação a soluções convencionais de
comunicações sem fio, que vêm sendo
adotadas recentemente como suporte à
implantação de smart grids, as quais são
normalmente baseadas em sistemas que
utilizam faixas de frequência não licenciadas ou
são suportadas pelos serviços de rede de dados
disponíveis, GPRS (General Packet Radio
Service)
e
UMTS
(Universal
Mobile
Telecommunications System), comercializados
pelas operadoras celulares.
De fato, a solução apresentada neste artigo se
baseia
na
utilização
de
tecnologias
padronizadas de redes sem fio, adaptadas para
operação em faixas de frequência licenciadas
abaixo de 1 GHz, com atribuição Anatel para
Serviço
Limitado
Privado
(SLP),
e,
adicionalmente, incorpora todas as vantagens
associadas a uma topologia de rede sem fio
Mesh.
Essas características tornam a solução única
em termos de robustez, flexibilidade e
adequação ao cenário regulatório do País e
potencializam a flexibilidade e a penetração da
rede, por meio da utilização de faixas de
frequência mais baixas e da exploração das
funcionalidades das redes Mesh. A solução,
proposta e testada, mostrou-se bem adaptada à
aplicação em cenários urbanos de morfologia
complexa.
Outras vantagens da solução são o custo
otimizado da infraestrutura, em virtude da
ampliação da cobertura alcançada por nó,
proveniente da operação em faixas sub-1 GHz,
e a disponibilidade de dispositivos que
implementam padrões abertos e orientados à
interoperabilidade na interface aérea.
32
2
Visão estratégica da aplicação de rede
sem fio em smart grid/telemedição
O aumento da eficiência nas operações das
concessionárias e consequentes benefícios
financeiros estão fortemente relacionados a
ações específicas que incorporam o conceito de
smart grid e podem gerar resultados
importantes para o futuro do setor elétrico.
Ações prioritárias são direcionadas aos
seguintes temas:

tratamento das perdas comerciais e
técnicas, com a implementação da
telemedição, associada à capacidade
de realização de corte e religamento
remotos;

expansão da automação da rede de
subtransmissão/distribuição,
com
automação das chaves de linhas de
subtransmissão e instalação de chaves
automatizadas nos circuitos primários
de distribuição;

integração de sistemas, incluindo
telemedição,
bases
de
dados
georreferenciadas,
supervisão
e
controle, e faturamento.
Nesse contexto, verifica-se a importância, para
a empresa, do aumento da capacidade da
realização
de
telemedição,
com
desdobramentos nos seguintes resultados
operacionais:

redução das perdas não técnicas de
energia;

redução da inadimplência;

execução de 100% da sugestão
comercial de corte para a redução do
tempo de consumo irregular;

redução da PCLD (Provisão para
Crédito de Liquidação Duvidosa);

redução do custo de leitura;

redução dos custos de inspeção e com
equipes de combate à fraude;

redução de consumo próprio dos
equipamentos de medição (substituição
de eletromecânicos);

redução do valor de corrente de partida
registrado pelos medidores;

identificação das perdas por trecho da
rede de distribuição (balanço de
energia),
com
a
melhoria
do
direcionamento das ações preventivas.
As vantagens advindas da concretização
desses resultados devem ser ponderadas com
base nos eventuais aumentos dos custos com a
infraestrutura de telecomunicações necessária,
motivando a investigação de alternativas e
abrindo espaço para inovação.
A solução de rede sem fio é apresentada na
próxima seção, que aborda algumas dessas
questões e mantém o foco, num contexto de
prova de conceito, na capacidade de suporte à
telemedição.
3
Descrição da solução de rede sem fio
proposta para prova de conceito de
aplicações de telemedição
por gateways Wi-Fi Mesh/ZigBee (Mestre) e
elementos ZigBee Clientes;

FAN (Field Area Network): transporta o
tráfego da NAN para a rede corporativa e é
composta por gateway Wi-Fi Mesh/ZigBee
(Mestre) e roteadores Wi-Fi Mesh instalados
na infraestrutura de distribuição entre os
gateways e o ponto de concentração.

Ambos os segmentos operam em
topologias Ad Hoc e Mesh, em que os nós
da rede se comunicam entre si, sem que
haja um controle centralizado. Nesse caso,
as rotas mais adequadas às conexões entre
os nós da rede são estabelecidas de acordo
com protocolos de camada 3, distribuídos e
abertos. Foram adotados os protocolos
OLSR (Optimized Link State Routing – RFC
3626) (IETF, 2003b) para o segmento Wi-Fi
A arquitetura proposta no projeto é apresentada
na Figura 1 e integra dois segmentos de rede
sem fio baseados nos padrões IEEE 802.15.4
(ZigBee) e 802.11b/g (Wi-Fi) (IEEE, 2006,
2007), que correspondem respectivamente aos
seguintes domínios:
 NAN
(Neighborhood
Area
Network):
transporta o tráfego dos pontos de medição,
ou eventualmente telecomando, composta
Figura 1 Arquitetura de referência da solução que integra redes Wi-Fi Mesh e ZigBee
33
e AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector –
RFC 3561) (IETF, 2003a) para o segmento
ZigBee.
Esses protocolos foram escolhidos porque
foram desenvolvidos especificamente para
redes sem fio. O protocolo OLSR permite a
atualização
constante
das
tabelas
de
roteamento e, por essa razão, é apropriado para
redes com grande número de nós.
O protocolo AODV foi projetado para maximizar
a eficiência e a escalabilidade, reduzindo a
disseminação de tráfego de controle e,
consequentemente, minimizando o overhead no
tráfego de dados. Sua aplicação é indicada para
nós com baixa capacidade de processamento e
memória, como nos dispositivos ZigBee. A rota
só é descoberta no momento em que se faz
necessário transmitir um pacote, o que resulta
em uma maior economia de energia.
As rotas estabelecidas compreendem conexões
com múltiplos saltos entre os nós de origem e
destino, que envolvem nós intermediários e
gateways de interface para redes externas.
Com o objetivo de atender o segmento FAN,
foram desenvolvidos roteadores Wi-Fi Mesh que
suportam a operação na faixa de 250 MHz,
destinada à modalidade de serviço SLP. Esses
roteadores constituem o backhaul da rede, com
o qual se estabelece a conexão com a rede
corporativa IP, provedora dos servidores de
infraestrutura e das aplicações específicas de
uma rede de telemedição.
A interface de RF (Radio Frequency) dos
roteadores Wi-Fi Mesh incorpora até duas
antenas adequadas à faixa de 250 MHz e
largura de canal de 5 MHz, utilizada conforme
estabelecido em regulamentação de uso do
espectro para essa faixa, publicada pela Anatel
em dezembro de 2010, no Anexo à Resolução
№ 555 (ANATEL, 2010a).
O segmento ZigBee confere maior versatilidade
à topologia (ponto a ponto, estrela ou mista) da
rede empregada na solução.
Na configuração, conhecida como peer-to-peer,
podem ser estabelecidos padrões arbitrários de
conexões entre os nós, limitadas pelo alcance
dos sinais de rádio e pelas perdas da
capacidade de transmissão de dados, que
normalmente ocorrem quando a comunicação
entre os nós se dá através de múltiplos saltos.
O sistema incorpora a capacidade de
autoformação e de regeneração da rede,
estabelecendo padrões de comunicação entre
os nós clientes, sob a coordenação de um
elemento-mestre. O nó cliente pode ser
configurado como um elemento roteador da
rede e conectado diretamente a um
equipamento ou dispositivo, monitorado ou
34
telecomandado para enviar informações ou
dados por ele gerado.
A interface de RF dos nós da rede ZigBee
incorpora antenas adequadas à faixa de
370 MHz e largura mínima de canal de 1,25
MHz, utilizada conforme estabelecido em
regulamento específico da faixa, publicado em
dezembro de 2010 pela Anatel, no Anexo à
Resolução № 556 (ANATEL, 2010b).
A prova de conceito dessa solução, conforme os
objetivos do projeto, demandou a execução das
seguintes atividades:

desenvolvimento de protótipos de
módulos componentes das redes
ZigBee e Wi-Fi Mesh nas frequências
propostas;

integração com medidores eletrônicos
de consumo de energia;

testes-piloto em campo (CPqD).
4
Comparação com alternativas à solução
de rede sem fio
Conforme descrita na seção anterior, a solução
de rede sem fio adotada é baseada na
tecnologia Wi-Fi Mesh. Porém, como o padrão
WiMAX, em sua difundida versão IEEE 802.16e,
também é uma alternativa ao backhaul do
segmento da rede de telemedição NAN,
responsável pelo transporte do tráfego dos
pontos de medição, ou eventualmente
telecomando, é importante destacar alguns
pontos que justificaram a escolha do padrão
Wi-Fi.
As funcionalidades da tecnologia WiMAX são
adequadas às aplicações em sistemas com as
seguintes características principais:






terminais com mobilidade;
grande variação da carga de tráfego na
rede sem fio;
ambientes de propagação complexos,
com grande ocorrência de múltiplos
percursos e de desvanecimentos
rápidos e lentos;
diversidade de serviços oferecidos e de
perfis de usuários, que demanda
adequações dos critérios de qualidade
de serviço (QoS);
existência de aplicações críticas,
particularmente relativas à latência;
infraestrutura para instalação de
radiobases.
Por outro lado, as funcionalidades da tecnologia
Wi-Fi Mesh são adequadas às aplicações em
sistemas com as seguintes características:
capacidade para atender clientes fixos
ou com baixa mobilidade;

variação moderada da carga de tráfego
na rede sem fio;

ambientes de propagação complexos,
com ocorrência de múltiplos percursos,
interferências e níveis elevados de
ruído;

ambientes operacionais característicos
de zonas urbanas, com alta densidade
de edificações e impedimentos ou baixa
disponibilidade para instalação dos
rádios em pontos elevados;

homogeneidade de serviços e perfis de
usuários;

inexistência de aplicações críticas
relativas à latência ou em situações em
que a rede sem fio apresente recursos
de banda disponíveis.
Outro ponto-chave na seleção da tecnologia é a
capacidade de transmissão de dados. Em um
sistema ponto-multiponto, essa capacidade
varia com a distância entre o terminal e a
estação-base.
A Tabela 1 e a Tabela 2 apresentam taxas
líquidas
de transmissão
máximas
nas
implementações das tecnologias WiMAX e WiFi, com operação em 250 MHz e largura de
canal de 5 MHz. As taxas baseiam-se em
avaliações realizadas em laboratório. Para a
capacidade de transmissão do WiMAX, foi
considerado um valor típico de distribuição do
quadro TDD e foram estimados valores para um
sistema com operação em MIMO 2x2 (SMSpacial Multiplex).
Na Tabela 3, são comparadas as capacidades
de transmissão máximas das duas tecnologias
no sentido uplink, normalmente o sentido de
transmissão que limita a comunicação. As
distâncias são estimadas com o uso de modelos
teóricos para ambiente urbano SUI (Stanford
University Interim). Nessas estimativas, foi
considerado o limite de potência radiada
atualmente em vigor e estabelecido por norma
(25 dBm). Esses resultados mostram a maior
capacidade de transmissão da tecnologia Wi-Fi
Mesh nos cenários considerados.
Tabela 2 Taxas líquidas WiMAX (uplink) máximas
em função do nível de sinal recebido (RRSI)

Tabela 1 Taxas líquidas Wi-Fi Mesh máximas em
função do nível de sinal recebido (RSSI)
RSSI (dBm)
- 86
- 83
- 66
Taxa líquida (Mbps)
Tráfego nos 2
Tráfego em 1
sentidos
sentido
1,6
3,0
2,3
5,0
6,0
12,0
v
SISO
MIMO (2x2)
- 86
0,9
1,8
- 83
1,3
2,6
- 66
2,5
5,0
Tabela 3 Taxas líquidas (uplink) máximas em
função de distâncias (tráfego em um sentido)
Distância (m)
Ambiente
urbano
Wi-Fi
Mesh
WiMAX (MIMO)
1.750
3,0
1,8
1.550
5,0
2,6
800
12,0
5,0
Esses resultados indicam a adequação da
tecnologia Wi-Fi Mesh ao cenário de aplicação
considerado e os ganhos obtidos em
comparação com a solução baseada na
tecnologia WiMAX. Esses ganhos envolvem
outros aspectos, tais como maior simplicidade
da implementação, flexibilidade e adequação
aos cenários de instalação.
5
Desenvolvimento da solução ZigBee
O desenvolvimento de protótipos e módulos
componentes do segmento ZigBee da rede
experimental incluiu a implementação de uma
solução baseada na técnica de conversão de
frequência e integração com as camadas da
pilha padrão, tanto para o módulo com funções
de coordenador (mestre) quanto para o módulo
cliente
(roteador).
Foram
desenvolvidas
soluções de integração física e funcional, com
um medidor eletrônico de consumo de energia
para o módulo cliente, e com o gateway da rede
Wi-Fi Mesh para o módulo coordenador.
As principais características do padrão IEEE
802.15.4 (Physical Layer and Medium Access
Control – PHY/MAC), especificadas para a
plataforma utilizada como base para os
desenvolvimentos, são as seguintes:

faixa de frequência padrão utilizada
para conversão: 902-928 MHz;

dez canais espaçados de 2 MHz;

modulação DSSS (Direct Sequence
Spread Spectrum) e BPSK (Binary
Phase Shift Keying), com concentração
da energia em uma faixa de 1,2 MHz;

modulação O-QPSK (Offset Quadrature
Phase Shift Keying);
35
taxa bruta máxima de transmissão:
40 kbps (BPSK) ou 250 kbps (O-QPSK);

método de acesso ao meio: CSMA/CA
(Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoidance);

topologias de rede compatíveis: ponto a
ponto, estrela, mesh e árvore;

padrão de segurança dos dados
(encriptação) utilizado é o AES
(Advanced Encryption Standard) de
128 bits.
Para integração com o medidor eletrônico, a
solução desenvolvida incluiu as seguintes
funcionalidades na camada de aplicação:

aquisição remota de dados de leitura de
consumo de energia disponibilizada
pelo medidor eletrônico, utilizando
protocolo da Associação Brasileira de
Normas Técnicas, ABNT NBR 14522
(ABNT, 2008), e implementada através
de aplicação fornecida por uma
concessionária do setor elétrico;

endereçamento do nó cliente na rede
ZigBee associada à identificação do
medidor ao qual se encontra conectado.
A Figura 2 ilustra a integração dos componentes
da solução para a rede ZigBee, desenvolvida no
escopo do projeto, com o gateway e o medidor
eletrônico.
Na integração com o medidor eletrônico, foram
considerados os seguintes requisitos:
 interface física: porta óptica/porta serial
RS232;
 protocolo de comunicação para operação
de aquisição de dados: ABNT;
 tempo de resposta máximo suportado
pelo protocolo: 60 s;
 velocidade de transmissão requerida pela
operação de aquisição: 9,6 kbps;
 banda máxima requerida pela operação
de aquisição: 258 bytes.
Foi necessária a acomodação do módulo cliente
no interior da caixa metálica padrão E, utilizada
para abrigar o medidor, conforme Figura 3.

Figura 2 Integração dos componentes da solução para a rede ZigBee, com medidor eletrônico e gateway
Figura 3 Caixa padrão tipo E utilizada na integração do módulo ZigBee cliente
36
5.1
Protótipo de módulo ZigBee em baixa
frequência para medidores eletrônicos
A Figura 4 representa a arquitetura do módulo
ZigBee cliente desenvolvido, com diagrama de
blocos que representam seus principais
componentes e as respectivas conexões.
conversor de frequência atendendo as
subfaixas 364,150 - 367,900 MHz,
371,025 - 372,275 MHz e 374,150 376,650 MHz, todas com espaçamento
de 1,25 MHz. Inclui os componentes
necessários à amplificação e à filtragem
nessas frequências, mantendo as
características do sinal definido pelo
padrão IEEE 802.15.4.
A solução de empacotamento mecânico
desenvolvido para integração física do protótipo
na caixa tipo E, conforme Figura 3, é exibida na
Figura 5 e na Figura 6.

Figura 4 Diagrama de blocos (cinza) do módulo
ZigBee cliente (370 MHz)
As principais funcionalidades implementadas
pelos blocos, em componentes distintos
montados em uma única placa, são as
seguintes:

microcontrolador implementando a pilha
ZigBee definida pela ZigBee Alliance e
a aplicação que define a ação do
módulo
cliente.
Aplicação
implementando
o
protocolo
de
comunicação com o medidor eletrônico,
com controle de sinalização e
armazenamento de dados na memória
EEPROM
(Electrically
Erasable
Programmable Read-Only Memory)
para possibilitar posteriores consultas;

interface
de
comunicação
serial
(transceiver), com unidade serial padrão
EIA232, que viabiliza a comunicação
entre o módulo ZigBee e o medidor
eletrônico (taxa de dados máxima de
9.600 bps). Suporta o protocolo de
comunicação para configuração e
leitura remota dos dados contidos no
medidor eletrônico com o uso de
aplicação fornecida pelo fabricante;

unidade de memória EEPROM não
volátil, com comunicação serial padrão
I2C e capacidade de armazenamento
das medidas coletadas pelo medidor
eletrônico;

transceptor RFIC (Radio Frequency
Integrated Circuit) + MAC/PHY, com
interface SPI (System Packet Interface)
para as faixas 700/800/900 MHz,
incluindo as camadas MAC/PHY IEEE
802.15.4;
Figura 5 Vista frontal do empacotamento do
módulo ZigBee cliente
Figura 6 Vista interna do empacotamento do
módulo ZigBee cliente
A disposição do protótipo no interior da caixa,
juntamente com o medidor eletrônico de uso
residencial, é mostrada na Figura 7.
37
componentes de casamento de impedância na
estrutura de excitação em microfita.
Figura 7 Vista interna da caixa tipo E com
medidor eletrônico e fixação do empacotamento
do módulo ZigBee cliente
A instalação do módulo ZigBee cliente no
interior da caixa tipo E impõe requisitos
adicionais para a antena a ser integrada ao
módulo. Para a determinação de uma solução
adequada, devem ser considerados os
seguintes aspectos:

diversidade de cenários de instalação,
tanto no posicionamento da caixa na
alvenaria quanto nos detalhes de
construção da caixa, tais como formato
do visor de leitura e junções entre suas
partes, principalmente entre a tampa e o
corpo da caixa;

inconveniência de instalação de cabos
para conexão com uma antena externa
à caixa;

dimensões das antenas, necessárias na
obtenção de eficiências condizentes
com a operação adequada do sistema;

aspectos relacionados à segurança,
com a recomendação de que os
componentes do sistema não fiquem
excessivamente expostos e sujeitos a
manipulação e danos.
Com base nesses aspectos, foi desenvolvida
uma solução em que as aberturas ou fendas da
caixa fossem utilizadas como elementos
radiadores. A excitação dessas aberturas foi
feita por meio de microlinhas e as paredes
internas da caixa foram utilizadas como planos
metálicos.
A Figura 8 mostra os detalhes da estrutura de
excitação das fendas frontais do visor da caixa,
ajustada experimentalmente, e incorporando os
38
Figura 8 Detalhe da estrutura em microfita
utilizada na excitação das fendas frontais da caixa
tipo E
A Figura 9 reproduz a curva dos valores de
perda de retorno atingidos na faixa de
frequência de 360 a 380 MHz. O casamento de
impedância, feito com um capacitor em série de
3,3 pF e outro em paralelo de 2,2 pF, permitiu
atingir valores satisfatórios de perda de retorno,
abaixo de -10 dB na faixa de 360 a 380 MHz.
Observou-se, no entanto, uma grande
sensibilidade dessa sintonia, resultando em
pequenas variações na estrutura da caixa, por
exemplo, na posição da sua tampa ou até no
acúmulo de poeira no vidro, que podem
modificar a frequência de sintonia.
Figura 9 Curva de perda de retorno para a
excitação das fendas frontais da caixa tipo E na
faixa de frequência de 360 a 380 MHz
Outra possibilidade de utilização de fenda
caixa como antena foi explorada com
excitação da junção lateral da tampa.
Figura 10 mostra a fixação da estrutura
excitação em microfita nessa alternativa.
da
a
A
de
Quanto à requisição remota de dados
disponibilizados pelos medidores eletrônicos, a
camada de aplicação viabiliza o repasse das
mensagens do protocolo ABNT.
A Figura 12 e a Figura 13 ilustram a integração
e a montagem da placa do módulo ZigBee
coordenador no gateway, através da conexão
com o processador de rede do módulo host
(PQII). Com esse módulo ZigBee, é possível a
utilização de antena comercial.
Figura 10 Visão do interior da caixa tipo E com
detalhe da fixação da estrutura em microfita
utilizada na excitação da fenda lateral
5.2
Protótipo de módulo ZigBee em baixa
frequência para gateway ZigBee/Wi-Fi
Mesh
O diagrama de blocos apresentado na Figura 11
representa a arquitetura do módulo ZigBee
coordenador
(mestre)
desenvolvido.
A
implementação foi integrada ao gateway, que,
conforme Figura 2, incorpora a unidade de
comunicação provedora do backhaul Wi-Fi
Mesh.
As principais diferenças da implementação do
módulo ZigBee mestre em relação ao cliente
estão na camada de aplicação, onde a pilha
ZigBee definida pela ZigBee Alliance define a
ação funcional do módulo como coordenador, e
na conexão com o módulo host do gateway
através
de
uma
interface
Ethernet.
Adicionalmente, a camada de aplicação
proporciona os meios para a obtenção de
informações relativas à rede ZigBee, incluindo
conexões estabelecidas e parâmetros como
identificadores de nós e níveis de sinal.
Figura 11 Diagrama de blocos (cinza) do módulo
ZigBee coordenador (370 MHz)
Figura 12 Detalhe da montagem do gateway
ZigBee (370 MHz) / Wi-Fi Mesh (250 MHz) com a
face superior da placa metálica de suporte aos
módulos de comunicação
Figura 13 Detalhe da montagem do gateway
ZigBee (370 MHz) / Wi-Fi Mesh (250 MHz)
indicando a posição do módulo ZigBee
coordenador na face inferior da placa metálica de
suporte aos módulos de comunicação
39
5.3
Integração funcional dos medidores de
consumo de energia com a rede
ZigBee/Wi-Fi Mesh
A integração entre os medidores e a rede sem
fio de transporte compreende a implementação
do cliente ZigBee para leitura dos medidores
eletrônicos de energia elétrica.
O protocolo utilizado pelos fabricantes de
medidores é o ABNT NBR 14522:2008. Esse
protocolo define o padrão de intercâmbio de
informações no sistema de medição de energia
elétrica, com o objetivo de garantir a
compatibilidade entre os sistemas e os
equipamentos de medição de energia elétrica
de diferentes procedências.
No modo convencional, esse protocolo opera de
forma assíncrona, com velocidade de 9.600 bps
(com desvio máximo de 2%), bidirecional não
simultâneo e com unidades de informação de
8 bits.
Como o protocolo ABNT define, originalmente, a
interface serial (RS232) para a transferência dos
comandos e respostas entre o leitor e o
medidor, foi necessário adaptá-lo para que os
comandos e as respostas pudessem ser
transmitidos na rede ZigBee. Essa adaptação
consistiu basicamente no encapsulamento e no
particionamento dos dados transportados
segundo o protocolo padrão ABNT, preservando
os fluxos de mensagens e requisitos de
operação do sistema.
O tempo máximo para o procedimento de
obtenção de leitura do medidor conectado ao
cliente ZigBee, com a aplicação de requisição
(PLAW), é de 25 segundos, incluindo operações
de extração do endereço de rede do dispositivo,
particionamento de mensagem do protocolo e
empacotamento de acordo com o padrão
ZigBee.
Outros aspectos importantes referentes à
integração com o sistema de medida de energia
dizem respeito à implementação do cliente
ZigBee anteriormente descrita. É importante
ressaltar que os dispositivos clientes Zigbee são
configurados como roteadores, sem o uso de
baterias e com alimentação no medidor. Por fim,
cabe lembrar que a solução prevê a inclusão de
memória de massa adicional no cliente ZigBee.
Essa memória seria complementar à memória
contida no próprio medidor, que já dispõe de
capacidade de armazenamento dos dados de
medição gerados.
6
Desenvolvimento da solução Wi-Fi Mesh
Conforme indicado na arquitetura de referência
sintetizada na Figura 1, o segmento da rede
Wi-Fi Ad Hoc Mesh compreende dois
elementos: o gateway e o roteador. Para ambos
os elementos, o desenvolvimento da solução
40
para operação na faixa de 250 MHz baseou-se
em conversão de frequência, com módulo OEM
(Original Equipment Manufacturer), segundo o
padrão IEEE 802.11 b/g, com as seguintes
características principais:

faixa de frequência padrão utilizada
para conversão: 907-917 MHz;

taxa bruta máxima de transmissão:
14 Mbps (64 QAM – Quadrature
Amplitude Modulation);

segurança: WPA (Wi-Fi Protected
Access);

largura de canal de transmissão: 5 MHz
(agregando canais de 1,25 MHz);

método de acesso ao meio: CSMA/CA.
Sob o aspecto funcional, o estágio de RF
desenvolvido para integração com o módulo
OEM compreende um transceptor que opera
nas mesmas frequências de transmissão e de
recepção, com o uso de duplexação por divisão
no tempo (Time Division Duplexing – TDD), com
as seguintes funções básicas:

translação espectral do sinal Wi-Fi
900 MHz (802.11b/g) para canais na
faixa de 228.75 a 238.75 MHz, com
largura de banda de 5 MHz;

amplificação do sinal de RF em
potência para a transmissão;

amplificação do sinal de RF em baixo
ruído para a recepção;

manutenção da qualidade do sinal,
dentro e fora da banda de operação,
com ótimo funcionamento do sistema
em si e compatibilidade com outros
sistemas
de
transmissão
que
compartilham
o
espectro
de
frequências.
A Figura 14 ilustra a integração do estágio de
RF desenvolvido, segundo os modelos de
referência das arquiteturas lógicas do gateway e
do roteador Wi-Fi Mesh.
Figura 14 Modelos de referência das arquiteturas
dos componentes do sistema Wi-Fi Mesh
(250 MHz) incluindo gateway e roteador
A Figura 15 representa o diagrama funcional do
estágio de RF desenvolvido, seus principais
blocos componentes, a integração do CI
(Circuito Integrado) responsável pela conversão
de
frequência,
e os
demais
blocos,
responsáveis pela amplificação e filtragem do
sinal convertido.
Figura 15 Diagrama de blocos da solução do
estágio de RF desenvolvida
A Figura 12 ilustra a integração do estágio de
RF no gateway e a Figura 16 e a Figura 17
apresentam a integração no roteador e seu
empacotamento mecânico, respectivamente.
Figura 16 Colocação do módulo conversor no
roteador Wi-Fi Mesh (250 MHz)
7
Piloto em campo de teste no CPqD
A fim de validar a concepção de rede sem fio
proposta no projeto e o suporte à telemedição,
foi desenvolvido um campo de teste a céu
aberto nas instalações do CPqD. Nesse campo,
foi instalada a rede experimental, com a
integração dos protótipos desenvolvidos,
exercitadas as funcionalidades e avaliado o
desempenho da rede. Embora o campo de teste
não reproduza exatamente as características do
ambiente de uma instalação típica em área
urbana densa, algumas delas, como as
distâncias e a disposição de elementos da rede
ao longo das vias de circulação, se aproximam
das encontradas nesse cenário. Entre os
elementos mais adversos do campo, destacamse a presença de desnível abrupto no terreno e
de obstruções por vegetação.
Os testes em campo foram realizados após a
execução de uma sequência planejada de
testes de desenvolvimento em laboratório e
ambiente controlado, com a avaliação dos
aspectos funcionais, da integração e do
desempenho dos protótipos desenvolvidos.
Esses testes preliminares permitiram a
validação e o refinamento das adaptações
necessárias para garantir a compatibilidade com
o protocolo de comunicação e a utilização da
aplicação de requisição de dados do medidor
eletrônico.
Além desses testes, foram realizados também
testes de avaliação da atenuação nas faixas de
frequência utilizadas e de alcance das antenas
desenvolvidas para a caixa tipo E.
A Figura 18 exibe o teste de alcance realizado,
com a medição dos níveis de sinal CW
(Continuous Waveform) (375 MHz) obtidos entre
caixas com fendas frontais utilizadas como
antena, em várias situações de obstrução, e
com as caixas posicionadas na altura típica de
instalação. Em conformidade com um nível de
referência de sensibilidade de -90 dBm, foram
obtidas variações de alcance em torno de 50 m.
Figura 17 Empacotamento mecânico do roteador
Wi-Fi Mesh (250 MHz)
Figura 18 Exemplo de cenário de obstrução para
testes de alcance com caixas tipo E
41
Figura 19 Arquitetura de referência utilizada nos testes de campo no CPqD
Os testes no campo de teste foram executados
em três etapas principais. Inicialmente, foram
realizados testes somente no segmento ZigBee
da rede, após instalação do módulo ZigBee
coordenador e das caixas tipo E, contendo os
módulos ZigBee clientes conectados aos
medidores eletrônicos com cargas. Em seguida,
foi instalado e avaliado o segmento Wi-Fi Mesh
da rede, com a instalação do gateway e do
backhaul. Finalmente, foram realizados os
testes na rede integrada.
A Figura 19 representa o diagrama da
arquitetura de referência utilizada nos testes de
campo no CPqD, incluindo a integração das
redes ZigBee, backhaul Wi-Fi Mesh e sistema
de requisição de dados dos medidores
eletrônicos.
A Figura 20 ilustra a instalação típica de caixa
tipo E em campo, conectada à lâmpada para
medição de consumo de energia, e a Figura 21
exibe a instalação de roteador Wi-Fi Mesh.
Figura 21 Instalação do roteador backhaul Wi-Fi
Mesh
Figura 20 Caixa tipo E com carga resistiva,
instalada no campo de teste no CPqD
42
A Figura 22 reproduz a vista aérea do campo de
teste, com uma configuração típica da rede
experimental e indicação da distribuição das
caixas tipo E, localizações do gateway e do
laboratório onde foi colocado o PC com a
aplicação PLAW e o backhaul Wi-Fi Mesh.
Figura 22 Distribuição das caixas tipo E, com módulos ZigBee clientes (9), backhaul Wi-Fi Mesh e detalhe
das ruas principal e lateral e indicação das posições das caixas
As seguintes condições foram consideradas na
configuração do cenário de testes:

frequências: 252 MHz (Wi-Fi Mesh) e
372,275 MHz (ZigBee);

EIRP (Effective Isotropically Radiated
Power): 23 dBm (Wi-Fi Mesh) e 0 dBm
(ZigBee).
Os seguintes resultados foram obtidos durante
os testes:

funcionalidades da rede ZigBee,
incluindo capacidade de formação de
rotas alternativas e estabelecimento de
comunicação
através
de
nós
intermediários;

funcionalidades de configuração da
rede ZigBee (Personal Area Network
Identification – PAN-ID);

estabilidade
da
rede,
incluindo
avaliações do comportamento na
ocorrência
de
desligamentos
temporários do sistema ou de nós
específicos, em períodos de curta e
longa duração;

funcionalidades
de
aquisição
de
parâmetros da rede;

capacidade de suporte às operações de
requisição remota de dados de leitura
de consumo de energia disponibilizados
pelos medidores eletrônicos; neste
caso, utilizando a aplicação selecionada
pela concessionária (PLAW). Foram
consideradas
diversas
situações,
incluindo interrupções e religamentos do
sistema ou de nós específicos;

funcionalidades
dos
modos
de
aquisição dos dados dos medidores
disponibilizados pela aplicação (PLAW),
tais como parâmetros atualizados,
armazenados, totalizados, registros de
alterações e períodos de quedas de
energia;

avaliações de desempenho, com a
verificação
da
capacidade
de
transmissão da interface aérea;

alcance e conectividade em campo,
para a rede ZigBee, com os módulos
instalados na caixa tipo E.
Os principais resultados de desempenho
obtidos foram:

vazão medida durante o período de
transmissão unidirecional contínua em
enlace Wi-Fi Mesh, com potência de
transmissão de 25 dBm: taxa de
transmissão máxima de 7,98 Mbps
(Transmission Control Protocol – TCP)
para um nível de sinal na recepção de
-59 dBm e de 1,5 Mbps para um nível
de recepção de -97 dBm.
43




8
vazão medida no enlace Wi-Fi Mesh,
com ocorrência de um salto: vazão
máxima de 2,5 Mbps (TCP) para níveis
de sinal de -67 dBm na recepção e de 48 dBm nos nós extremos, e -45 dBm e
-52 dBm no nó intermediário;
RTT (Round Trip Time) medida em
enlace Wi-Fi Mesh com um salto: 30 ms
com vazão de 2,5 Mbps e pacotes de
1.518 bytes;
vazão medida em enlace ZigBee com
modulação BPSK, pacotes de 1000
bytes (fragmentação): 6 kbps com BER
(Bit Error Rate) de 0,8%;
alcance
máximo
entre
módulo
coordenador e ZigBee cliente com
antena fenda lateral: 325 m.
Conclusão
Neste artigo, foi apresentada a solução híbrida
de rede sem fio voltada para aplicações de
telemedição, no contexto de smart grids. A
solução foi desenvolvida no escopo do projeto
Aneel e tem como uma de suas principais
características a utilização de faixas de
frequência licenciadas abaixo de 1 GHz,
recentemente regulamentadas pela Anatel, e
com atribuição de utilização SLP. Outra
característica importante é a utilização de
padrões
abertos,
como
base
de
desenvolvimento, que oferece várias vantagens
técnicas e econômicas.
A apresentação da solução incluiu a descrição
dos desenvolvimentos e a integração dos seus
componentes de hardware e software,
materializados em protótipos, bem como a
abordagem adotada para sua avaliação, que
inclui montagem de infraestrutura de testes e
realização de piloto a céu aberto, em campo de
teste no CPqD.
Nesse cenário, foram apresentados os
resultados que comprovam a efetividade da
rede concebida, bem como das soluções
encontradas, particularmente adaptações e
adequações necessárias à viabilização da
aplicação de telemedição. Essas adequações
abrangeram aspectos físicos e funcionais,
incluindo a integração com o medidor eletrônico,
com a sua caixa de instalação e com a
aplicação de requisição de dados selecionada
pela concessionária.
______. Anexo à Resolução № 556,
Regulamento sobre canalização e condições de
uso de radiofrequências na faixa de 360 a 380
MHz, 2010b.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS
(ABNT).
NBR
14522-2008,
Intercâmbio de informações para sistemas de
medição de energia elétrica, maio 2008.
INSTITUTE
OF
ELECTRICAL
AND
ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). Std
802.15.4-2006. Part 15.4: Wireless Medium
Access Control (MAC) and Physical Layer
(PHY)
Specifications
for
Low-Rate
WirelessPersonal Area Networks (LR-WPANs),
September 2006.
______. Std 802.11-2007. Part 11: Wireless
LAN Medium Access Control (MAC) and
Physical Layer (PHY) Specifications, June 2007.
THE INTERNET ENGINEERING TASK FORCE
(IETF). RFC 3561 Ad hoc On-Demand Distance
Vector (AODV) Routing, July 2003a.
______. RFC 3626 Optimized Link State
Routing Protocol (OLSR), October 2003b.
Referências
AGÊNCIA
NACIONAL
DE
TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Anexo à
Resolução № 555, Regulamento sobre
canalização e condições de uso de
radiofrequências na faixa de 225 a 270 MHz,
2010a.
44

Desenvolvimento de solução híbrida de rede sem fio para

Transcrição

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