AVALIACAO DE REDES WIRELESSHART EM MALHAS DE CONTROLE

Anderson Santos∗, Daniel Lopes∗, Ivanovitch Silva∗, Adriao Neto∗, Luiz AffonsoGuedes∗

∗Laboratorio de Informatica IndustrialDepartamento de Engenharia de Computacao e Automacao, Instituto Metropole Digital

Universidade Federal do Rio Grande do NorteCampus Universitario Lagoa Nova CEP 59078-970

Natal, Rio Grande do Norte, Brasil

Emails: andersoncs@dca.ufrn.br, danlartin@dca.ufrn.br, ivan@imd.ufrn.br,

adriao@dca.ufrn.br, affonso@dca.ufrn.br

Abstract— Nowadays wireless communication is a tendency in industry environments, saving resources andenabling the addition of new applications when compared to their wired counterparts. In this context, theWirelessHART specification is emerging as a solution for the last mile connection. Despite its high degree ofapplicability, a WirelessHART network faces some technical (reliability, energy consumption, fault tolerance,ensuring constant delays) and cultural challenges. Thus, the demanding for evaluation and ensure reliabilitytools on the control loops is imminent. Aiming to demystify the use of wireless technology on the control loops inthe industry, this paper presents an evaluation that enables to analyze the behavior of a WirelessHART networkin a process of controlling the level of water in a system of coupled tanks, part of a Quanser’s educational kit.

Keywords— WirelessHART, control, industrial wireless networks, XML-RPC.

Resumo— Nos dias atuais a comunicacao sem fio e uma tendencia nos ambientes industriais, reduzindo custose permitindo a criacao de aplicacoes que nao eram possıveis com as tecnologias legadas. Nesse contexto, aespecificacao WirelessHART esta emergindo como uma solucao padrao. Apesar dos benefıcios diretos, uma redeWirelessHART apresenta uma serie de desafios tecnicos (confiabilidade, consumo de energia, tolerancia a falhas,garantir atrasos constantes) e culturais. Sendo assim, a demanda para o desenvolvimento de ferramentas paraavaliar e garantir confiabilidade em malhas de controle torna-se iminente. Objetivando desmistificar o uso datecnologia sem fio em malhas de controle na industria, este trabalho apresenta uma avaliacao a qual permiteanalisar o comportamento de uma rede WirelessHART em processos de controle do nıvel de agua em um sistemade tanques acoplados, que faz parte de um kit didatico da Quanser.

Palavras-chave— WirelessHART, controle, redes industriais sem fio, XML-RPC.

1 Introducao

O uso de tecnologias sem fio em ambientes indus-triais sempre foi visto com grande ceticismo pelascompanhias. Um dos motivos para esse cenarioe vinculado ao nao determinismo do canal de co-municacao sem fio (Liu et al., 2012). A situacaoe agravada pelo fato de que os equipamentos saoinstalados em areas sujeitas a influencia de agen-tes externos (ruıdo, interferencia, clima adverso,obstaculos naturais), que podem gerar altas taxasde erro de transmissao quando comparadas comtecnologias cabeadas (Bai, 2003). Outros erros decomunicacao ocorrem devido a atenuacao do sinal(influenciada pela distancia entre o transmissor ereceptor) e o problema de multiplos caminhos (de-vido a reflexao, difracao e espalhamento do sinaltransmitido) (Di Marco et al., 2012). Em geral,erros em comunicacao sem fio sao transientes. Acomunicacao no canal e ruim por um curto pe-rıodo de tempo e depois volta ao normal (Williget al., 2002). Diferentemente dessa tecnologia, er-ros de comunicacao em redes cabeadas sao normal-mente permanentes e ocorrerem principalmentedevido a falhas nos cabos, conectores ou outroscomponentes (Marshall and Rinaldi, 2005).

Um fator a ser considerado, assumindo o uso

de comunicacao sem fio, e a seguranca da infor-macao. Como o meio de transmissao do sinal eo ar, qualquer dispositivo dentro do alcance destesinal pode recebe-lo e eventualmente decodifica-lo.Isso pode ocasionar o comprometimento da trans-missao. Por isso, e essencial considerar o uso demedidas de seguranca em redes sem fio para evitartais problemas (Chang, 2012).

Outro desafio esta relacionado a coexistenciade diferentes tecnologias sem fio no mesmo ambi-ente. Dado que o meio de transmissao e aberto,pode haver casos em que diferentes tecnologias uti-lizem a mesma banda de frequencia. Dessa forma,e importante para esses dispositivos que mesmoestando em um mesmo ambiente, possam traba-lhar com diferentes frequencias sem haver interfe-rencias (Yang et al., 2011).

Apesar de todos esses desafios, com a evolu-cao das tecnologias sem fio novos mecanismos fo-ram desenvolvidos para garantir a confiabilidadede rede (modulacao, criptografia, escalamento de-terminıstico, saltos de frequencias e redundancia).Essas mudancas e o surgimento de padroes in-ternacionais, como por exemplo o WirelessHART,tornaram o uso de tecnologias sem fio viavel emambientes industriais (Silva et al., 2013).

Uma vantagem imediata das tecnologias de

comunicacao sem fio e a eliminacao do cabea-mento. De acordo com (Colpo, 2011), o uso deequipamentos sem fio pode reduzir os custos deinstalacao da rede entre 50 − 90% quando com-parado a cenarios onde o cabeamento e utilizado.Outros benefıcios podem ser melhor observadosquando vistos no contexto especıfico das aplica-coes.

Diante da necessidade da industria em usaressa nova tecnologia de comunicacao, este traba-lho vem apresentar avaliacoes em tempo real docomportamento de uma rede WirelessHART emprocessos de controle do nıvel de agua em um sis-tema de tanques acoplados a fim de analisar oatraso na transmissao dos pacotes e a confiabili-dade das redes industriais sem fio para aplicacoesde controle.

O restante deste documento e organizado daseguinte forma: a Secao 2 apresenta uma descri-cao teorica sobre o protocolo WirelessHART. Nasecao 3 sao apresentados os trabalhos relaciona-dos. Os cenarios, os equipamentos utilizados e osresultados sao descritos na Secao 4. Finalmente,as conclusoes sao apresentadas na Secao 5.

2 WirelessHart

WirelessHART e um padrao de comunicacao semfio desenvolvido pela HART Comunication Foun-dation (HCF) com o objetivo de transmitir mensa-gens HART sem a necessidade de utilizar os meiosclassicos de transmissao (4-20 mA ou RS484). Umdispositivo WirelessHART implementa a mesmaestrutura de comandos usadas por um dispositivoclassico HART RS484. As mesmas aplicacoes uti-lizadas no padrao HART sao compatıveis com opadrao WirelessHART.

Em setembro de 2008, a especificacao Wire-lessHART (HART 7.1) foi aprovada publicamente(PAS) pela Comissao Eletrotecnica Internacional(IEC 62591). WirelessHART foi a primeira tecno-logia de comunicacao sem fio a obter esse nıvel dereconhecimento internacional (Song et al., 2008).A versao final da especificacao foi concluıda noinıcio de 2010 (IEC, 2010).

A especificacao WirelessHART define 8 tiposde dispositivos como descrito na Figura 1: gerenteda rede, gerente de seguranca, gateway, ponto deacesso, dispositivo de campo, adaptador, roteadore dispositivo portatil. Todos os dispositivos saoconectados para a rede e implementam mecanis-mos para suportar a formacao, manutencao, rote-amento, seguranca e confiabilidade da rede. Entretodos os dispositivos suportados, o gerente da redee considerado o principal. Instalado fisicamenteno gateway, o gerente da rede e responsavel porcontrolar todos os eventos na rede (roteamento,escalonamento, alarmes, etc).

Dispositivo de

campo

Dispositivo

Portátil

Roteador

Adaptador

Gateway

Rede de Automação (TA)

Gerente da Rede e

Gerente de Segurança

Ponto de acesso

Figura 1: Dispositivos WirelessHART.

2.1 Aspetos de roteamento

Uma rede WirelessHART tem suporte para to-pologias mesh, com o objetivo de se poder criarcaminhos redundantes entre os dispositivos e ogateway. Nesse sentido, a especificacao Wireles-sHART define quatro tipos de roteamento: ro-teamento na origem, roteamento em grafo, rote-amento baseado no superframe e roteamento deproxy. Todos esses tipos de roteamento utilizamcomo base informacoes coletadas pelos dispositi-vos e passadas para o gerente da rede. O rotea-mento e criado pelo gerente da rede e os dispositi-vos apenas utilizam as configuracoes que lhe foramatribuıdas (Silva, 2013). A seguir serao descritostodas as variacoes de roteamento citadas anterior-mente.

O roteamento na origem inclui no proprio pa-cote a ser transmitido toda a informacao neces-saria para o encaminhamento. Quando um dis-positivo ao longo do caminho recebe o pacote, enecessario apenas consultar o proximo destino in-formado no proprio pacote. Entao, o gerente darede e responsavel por criar o caminho entre o dis-positivo e o gateway. Esse modo de roteamento eutilizado apenas para testes devido a sua baixaconfiabilidade, pois se um dispositivo ao longodo caminho falhar, o pacote sera perdido. Essamesma tecnica de roteamento foi utilizada pelopadrao ZigBee na tentativa de minimizar a sobre-carga na construcao das tabelas de roteamento im-postas pelo AODV (ZigBee-Specification, 2007).

Diferentemente da tecnica anterior, o rotea-mento em grafo utiliza as vantagens da topologiamesh criando um mecanismo bastante resiliente.Ao inves de enviar todo o roteamento no pacote,utiliza-se apenas um identificador para uma estru-tura de dados em grafo. Consultando uma tabelae possıvel encontrar, entre varias opcoes, o melhordispositivo a ser usado como proximo destino do

pacote. A criacao dessa tabela e responsabilidadedo gerente da rede e a metrica utilizada para de-cidir qual vizinho escolher nao esta especificadano padrao. Sempre que possıvel o gerente da redeconfigura cada transmissao com pelo menos duasopcoes de roteamento (rota principal e secunda-ria) com o intuito de aumentar a confiabilidadena entrega da informacao. Perceba que a decisaosobre qual vizinho escolher foi realizada pelo ge-rente da rede. Os dispositivos de campo nao apre-sentam liberdade em escolher a melhor rota emtempo real. Essa e a razao pelo qual os dispositi-vos de campo enviam periodicamente informacoesda rede para o gerente. Com tais informacoes ogerente da rede atualiza os enlaces de comunica-cao. Adicionalmente, o roteamento na origem e oroteamento em grafo podem ser usados paralela-mente no mesmo pacote com o intuito de reforcara resiliencia da rede.

O roteamento baseado em superframe e simi-lar ao roteamento em grafo com a diferenca queos links apenas podem utilizar um determinadosuperframe. Dessa forma, o trafego da rede podeser isolado dependendo das exigencias necessarias.Por outro lado, utilizar apenas um superframe li-mita a quantidade de links disponıveis.

O roteamento baseado em proxy e um casoparticular do roteamento em grafo. Ele e utilizadopelos dispositivos quando estes estao entrando narede. Enquanto um novo dispositivo nao obtemas chaves de seguranca emitidas pelo gerente darede, o roteamento baseado em proxy e utilizado.Nesse caso, os dispositivos que ja estao na redesao configurados para enviarem mensagens adver-tise com o objetivo de convidar novos dispositivos.Nessas mensagens existe um atributo que repre-senta o identificador do proxy. Os novos disposi-tivos utilizam entao o roteamento em grafo cujoidentificador e o atributo recebido nas mensagensadvertise.

2.2 Formacao da Rede

O gerenciador da rede e quem inicia o processode formacao de uma rede WirelessHART criandoum canal seguro e confiavel de comunicacao como gateway. O provisionamento inicial do ponto deacesso sera realizado atraves desse canal, e con-siste na passagem das seguintes informacoes:

• Osuperframe de gerenciamento que garantebanda mınima para a execucao das funcoesbasicas de monitoramento e manutencao darede;

• Ografo de rede para trafego upstream, ou seja,em direcao ao gerenciador da rede;

• Osuperframe e links de join, que possibilitaraoa entrada de novos dispositivos na rede;

• \textit{Links}dedicados e compartilhados(tanto de transmissao quanto de recepcao)para o gerenciamento de dispositivos, trafegode health reports e comunicacao de alarmes(link perdido, por exemplo).

Afim de maximizar a vazao de pacotes degerenciamento e de anuncio (advertisement), oponto de acesso deve ser configurado como ativoem todos os slots TDMA. A rede WirelessHARTe considerada ativa no momento em que o gerenteda rede habilita o primeiro superframe e o ASN denumero 0 e estabelecido. Assim, os primeiros dis-positivos de campo podem entrar na rede a partirdo momento em que o ponto de acesso comecar apublicar pacotes de anuncio, iniciando o processode formacao da rede WirelessHART.

O processo de formacao da rede pode ser di-vidido em tres etapas: advertisement, join e ne-gociacao de parametros. O advertisement e reali-zado por dispositivos de campo que ja passarampelo processo de join, e sua funcao e informar apresenca da rede e possibilitar a incorporacao denovos dispositivos que estejam ao seu alcance desinal. O pacote de anuncio deve conter as infor-macoes de network ID e ASN, alem dos links esuperframe de join. Tal pacote e esperado por dis-positivos passıveis de join, cuja resposta sera emforma de um pedido para o dispositivo em questaojuntar-se a rede, ou seja, um join request.

Assim que um novo dispositivo for agregadoa rede, tanto o gateway quanto o dispositivo faraorequisicoes de banda ao gerente da rede. O ga-teway necessitara da banda para suporte ao tra-fego de requisicoes/respostas, enquanto o dispo-sitivo fara uso da banda para publicar informa-coes sobre a variavel de processo, por exemplo.O gerente da rede estimara a banda necessariaatraves dessas requisicoes de servico, de modo aotimizar a gerencia da rede. Caso exista bandasuficiente, o gerente alocara superframes e linksde acordo com as requisicoes. Caso contrario, ogerente pode alocar menos banda do que o dispo-sitivo requeriu, ou ate mesmo recusar totalmenteo pedido (Rech, 2012).

Join e o nome dado a etapa da inicializacaoonde um novo dispositivo junta-se a rede Wire-lessHART, tendo acesso aos recursos disponibili-zados pelo gerente e desempenhando as funcoesesperadas de um dispositivo de campo. Os prin-cipais passos que formam o processo de join saoos seguintes, segundo a especificacao de gerenci-amento de rede do padrao WirelessHART (HCF,2009):

• Oanuncio periodico realizado por membros jaexistentes permite a identificacao da rede porparte de possıveis novos dispositivos. Alemdisso, o pacote de anuncio contem as in-formacoes necessarias para um novo disposi-tivo sincronizar-se a rede e comunicar-se utili-

zando os links (ou timeslot e canal) corretos;

• Monitoramentoconstante por parte do novo dis-positivo para localizar e sincronizarse a rede;

• Estabelecimentode um canal de comunicacaoseguro entre o dispositivo e o gerente. Issoe realizado fazendo-se uso da join key para aencriptacao dos pacotes iniciais. Cada dispo-sitivo pode ter uma join key associada.

• Verificac~aodas ”credenciais”do novo disposi-tivo. Tal verificacao e realizada avaliando-sea identity (conteudo do comando 0) e a longtag do dispositivo, ambas enviadas no pacotede join request, cifrado com a join key. A vali-dacao deste pacote determina se o dispositivosera aceito ou nao na rede WirelessHART;

• Umavez que o dispositivo e aceito na rede, ogerente deve fazer seu provisionamento inicialcom superframes e links do tipo normal paraque se torne operacional.

2.3 Comunicacao a Nıvel de Aplicacao

A camada de aplicacao tradicionalmente, deacordo com o modelo OSI, fornece uma interfacede alto nıvel para os usuarios poderem acessar in-formacoes da rede. Adicionalmente, na especifi-cacao WirelessHART a camada de aplicacao tam-bem e responsavel pela fragmentacao dos dadosalem de herdar as caracterısticas da tecnologia le-gada (HART), onde todos procedimentos sao ori-entados a comandos. De acordo com a especifica-cao WirelessHART, os comandos sao classificadosem seis grupos conforme suas funcionalidades:

• Comandos universais: definidos pelo IEC e de-vem ser compatıveis com todos dispositivosWirelessHART e HART.

• Comandos comumente utilizados: foram criadospara facilitar a interoperabilidade entre dife-rentes fabricantes e independem do tipo dedispositivo.

• Comandos privados: utilizados apenas durantea fabricacao. Nao devem ser utilizados emproducao.

• Comandos sem fio: suportados apenas por dis-positivos WirelessHART.

• Comandos dos dispositivos: dependente do tipode sensor utilizado.

• Comandos especıficos: definidos pelos fabrican-tes e especıfico para cada dispositivo. Essescomandos estao fora do escopo da especifica-cao HART, porem devem estar em conformi-dade com a especificacao. Os comandos sao

transmitidos na carga util da camada de apli-cacao. Cada comando possui uma identifica-cao unica. O receptor de um pacote primei-ramente consulta a identificacao do comandopara poder extraı-lo. Esse procedimento e ne-cessario devido aos comandos apresentaremtamanhos diferentes.

Com o objetivo de minimizar a influencia deinterferencias (ruıdos) na rede e permitir a coexis-tencia com outros padroes (IEEE 802.11, Blueto-oth, ZigBee), foi adicionado ao TDMA um meca-nismo de saltos de frequencia. Cada transmissaona rede utiliza uma frequencia diferente (canal),diminuindo assim a probabilidade de escolher umcanal ruidoso.

3 Trabalhos Relacionados

Devido a importancia de se controlar processos viaredes industriais e ao crescente uso de redes semfio na industria, a avaliacao do atraso e da confi-abilidade das redes industriais sem fio para apli-cacoes de controle e indispensavel para analisar odesempenho dos processos na industria. E dese-javel analisar o desempenho da rede em diversasconfiguracoes (diferentes intervalos de tempo) ealterar seu comportamento de modo a evitar pos-sıveis falhas ou melhorar o desempenho de acordocom o estado analisado.

Diante dessa necessidade, foram desenvolvi-dos trabalhos com simulacao de redes Wireles-sHART (De Biasi et al., 2008a; De Biasi et al.,2008b) aplicado a sistemas de controle em redes.Isso foi realizado estendendo o simulador True-Time da ferramenta Simulink do software Ma-tlab. O protocolo MAC do WirelessHART foiimplementado utilizando-se classes da linguagemC++ com suas correspondentes MATLAB MEX-interfaces. A utilizacao de classes C++ foi esco-lhida visando uma melhora na velocidade da si-mulacao. Em (De Biasi et al., 2008b) especifica-mente, o autor tambem faz um comparativo en-tre o desempenho de redes WirelessHART e redesZigBee. Os testes foram realizados com um nu-mero fixo de pacotes perdidos. As tecnicas dessetrabalho nao foram aplicadas em ambientes reaiso que nao possibilita aos interessados obter con-clusoes sobre o real desempenho dos controladoresem redes sem fio reais.

Outro trabalho recente sobre o controleusando redes WirelessHART foi propostoem (Shah, 2009). Os autores tambem desen-volveram um modelo de simulacao que permitemontar redes WirelessHART em diversas confi-guracoes que avalia o uso dos canais de acordocom o tamanho da rede e a localizacao de cadadispositivo a fim de encontrar o melhor metodode escalonamento para as aplicacoes de controle.Novamente, a proposta se limita a analise de

ambientes simulados nao possibilitando umaavaliacao equivalente a de um ambiente cominsturmentos reais.

Por outro lado, neste trabalho foram feitasavaliacoes didaticas para controle wireless permi-tindo analisar o comportamento da rede e o de-sempenho de controladores em uma rede indus-trial sem fio real. As variaveis sao monitoradasem tempo real a fim de avaliar a confiabilidadeda rede baseando-se nos atrasos nas transmissoesdos pacotes e ao se agregar com a ferramenta de-senvolvida em (Santos et al., 2013) torna possı-vel, por exemplo, estimar a latencia e o consumode energia a qualquer momento. Adicionalmente,foi implementado um modo de diagnostico offlineonde dados previamente salvos podem ser utiliza-dos para analise.

4 Avaliacao

A fim de esclarecer o uso de protocolos de comu-nicacao sem fio em malhas de controle na indus-tria, nesta secao sao apresentados cenarios de di-agnostico ativo os quais permitem avaliar o com-portamento de uma rede WirelessHART. Para va-lidar a proposta foram utilizados o kit de de-senvolvimento SmartMesh WirelessHART Star-ter Kit (Dust-Network, 2013), um Arduino Mega2560, um sensor industrial de pressao da Emer-son Process Management, um modulo didatico detanques acoplados da Quanser, um modulo de po-tencia e uma bomba para bombear a agua. A apli-cacao de controle desenvolvida comunica-se com arede WirelessHART a partir de um driver de co-municacao universal baseado em XML-RPC per-mitindo a leitura da pressao medida pelo sensorindustrial (o sensor foi configurado para enviar amedida da pressao em tempos definidos para cadaconfiguracao de teste) a fim de repassr a informa-cao ao controlador e tambem possibilitar o envioda acao de controle gerada pelo controlador parao gateway que repassa para o mote. O Arduinopode ler a informacao pre-processada dos pacotesque chegam ao mote via comunicacao serial e en-tao agir como atuador acionando a bomba com atensao especificada no pacote. Uma visao geral daproposta e apresentada na Figura 2.

4.1 SmartMesh WirelessHART Starter Kit

Produzido pela empresa Dust-Network, o Smart-Mesh WirelessHART Starter Kit fornece um con-junto de hardware/software suficiente para criacaode uma rede WirelessHART simples. O kit incluicinco dispositivos de campo (tambem chamadosde motes), uma placa de desenvolvimento, um ga-teway com o gerenciador da rede e de segurancaincorporados e softwares para configuracao (cha-ves de seguranca, identificacao da rede, etc).

Ethernet

Módulo de Potência

T1

T2

Reservatório

3051S

Bomba

0-5AV 0-5AV

Tanques

Sensor de Pressão

802.15.4

MoteArduino

Gateway

Controlador e Coletor

Serial

Serial

802.15.4

Figura 2: Cenario com os instrumentos.

Os motivos para adocao deste kit Wireles-sHART estao relacionados com o fato de que omesmo hardware (componentes onde o padrao Wi-relessHART esta implementado) e utilizado emdispositivos industriais encontrados no mercadopermitindo a interoperabilidade com equipamen-tos industriais. Dessa forma, a avaliacao realizadaneste trabalho apresenta grande potencial paraanalise de plantas industriais com dispositivos ins-talados. E tambem permite a comunicacao com aferramenta desenvolvida em (Santos et al., 2013)cuja arquitetura e exibida em Figura 3, que podefazer analises da rede em tempo real ou em modooffline.

Figura 3: Arquitetura da ferramenta de diagnos-tico WirelessHART.

4.2 Comunicacao Serial

Os dispositivos na rede WirelessHART podem serconfigurados diretamente atraves de uma porta se-rial. Ao adquirir um dispositivo WirelessHART,este vem de fabrica com as configuracoes padroes.A porta serial pode ser utilizada para a configura-cao inicial. Por exemplo, para o gateway a portaserial e utilizada para configurar sua porta Ether-

net, identificacao e chaves de seguranca da rede.Adicionalmente, um mote pode alterar seu estadode operacao (mestre ou escravo) atraves da portaserial. No estado mestre, um mote funciona au-tomaticamente enquanto que o estado escravo eutilizado para testes (e.g para monitorar manual-mente a entrada na rede). Apenas uma parte doscomandos suportados pelo padrao WirelessHARTsao disponıveis pela porta serial. Alem disso, omote permite que a informacao pre-processadados pacotes transmitidos ou recebidos, seja acessı-vel via porta serial, o que permite que o Arduinoleia qualquer informacao de um pacote que chegueao mote.

4.3 XML-RPC

XML-RPC e um protocolo de comunicacao base-ado em chamadas de procedimento remoto (RPC)codificadas em XML sobre o protocolo HTTP.Esta tecnologia foi introduzida em conjunto porUserLand Software e Microsoft, em 1998.

Ele e provavelmente a abordagem mais sim-ples de servico web, permitindo que o desenvol-vedor faca chamadas de metodos atraves da rede.Utilizando a combinacao de tres padroes, a ar-quitetura de comunicacao (RPC), a linguagem(XML), e o mecanismo de transporte (HTTP),o XML-RPC e uma excelente tecnologia para oestabelecimento de varios tipos de conexao entrecomputadores, bem como entre diferentes dispo-sitivos (Ciccozzi et al., 2010). A ferramenta pro-posta utiliza o XML-RPC para interagir com ogerente da rede e os motes WirelessHART.

A arquitetura RPC (na qual o XML-RPC ebaseado), implica na presenca de duas partes: umprocesso de chamada (cliente) e um processo cha-mado (servidor). O cliente utiliza procedimentosfornecidos por um servidor em uma determinadaURL via HTTP. Em nossos experimentos, o ge-renciador da rede atua como servidor, enquantoque a nossa aplicacao, que tem por finalidade ge-renciar a rede de forma aprimorada, atua comocliente. Dessa forma, nossa aplicacao e capaz deinvocar todos os metodos fornecidos pelo gerencia-dor da rede atraves de mensagens XML-RPC, quesao solicitacoes POST (via HTTP) cujo corpo e es-crito em XML. Essas mensagens contem o nomedo metodo invocado pelo cliente, e que sera execu-tado pelo servidor, dentro da tag XML <method-Name> e </methodName>. O servidor, entaoexecuta o metodo e responde com uma outra men-sagem formatada em XML.

Um exemplo de mensagens de requisicao e suaresposta pode ser visto, repesctivamente, na Fi-gura 4.

Os metodos disponibilizados, geralmente, uti-lizam parametros especificados na tag XML <pa-rams> e </params> que pode, em alguns casos,ser vazia. Esses parametros podem ser numeros

<?xml version="1.0" encoding="utf -8"?><methodCall >

<methodName >subscribe </methodName ><params >

<param><value><string >login -token

</string ></value ></param><param><value><string >

all</string ></value ></param>

</params ></methodCall >

<?xml version="1.0" encoding="utf -8"?><methodResponse >

<params ><param><value><array><data><value><string >

notif -token</string ></value><value><i4>

24112</i4></value>

</data></array></value></param></params >

</methodResponse >

Figura 4: Requisicao e reposta no padrao XML-RPC.

inteiros ou reais, textos, datas, valores logicos, ar-ranjos dos valores anteriores, estruturas de regis-tro e listas complexas.

4.4 Sistema de Tanques e Bomba

Os testes de controle de nıvel foram realizado so-bre uma planta didatica que conta com dois tan-ques, uma bomba e um reservatorio de agua.

A bomba pode trabalhar com uma tensao no-minal de 0-12 volts e uma corrente entre 3-5 ampe-res necessitando de um modulo de potencia paraa sua ativacao. A bomba capta a agua do reser-vatorio e leva ate o tanque superior.

O sistema de tanques funciona atraves de gra-vidade, onde a agua e recebida pelo tanque supe-rior e por gravidade, passa para o tanque inferioratraves de um orifıcio no fundo. O tanque infe-rior, por sua vez, repassa a agua de volta para oreservatorio. No fundo de cada tanque existe umsegundo orifıcio que e onde os sensores de pressaosao conectados.

A medicao do nıvel de agua no tanque e re-alizada atraves da pressao que a agua exerce nofundo do tanque. O instrumento industrial rea-liza a medicao dessa pressao e a converte para ovalor do nıvel em milımetros.

4.5 Malha de Controle

A malha de controle conta com o sensor (o medi-dor de pressao 3051S da Emerson Process Mana-gement) que realiza a leitura do nıvel do tanque eenvia essa informacao para o gateway, que apesarde gerenciar a rede sem fio, nao possui funciona-lidades para gerar acoes de controle. Essa tarefafica a cargo do nosso sistema de controle que se

comunica com o gateway atraves de um coletor dedados via XML-RPC.

O coletor permite abrir uma conexao com ogateway via XML-RPC utilizando o metodo subs-cribe, que permite receber dados assincronamentedo gateway, e possibilita a troca de informacoesnos dois sentidos (upstream e downstream) entreo gateway e qualquer aplicacao de controle ou ge-renciamento por ser um Web Service, ou seja, uti-lizando um protocolo de comunicacao universal,permitindo assim, o acesso aos dados da rede apartir de aplicacoes clientes em varias linguagensde programacao.

A acao de controle propriamente dita e re-alizada por um software controlador, desenvol-vido em Java e que roda no computardor do cli-ente. Esse software recebe a informacao de pres-sao oriunda do sensor de pressao e repassada aogateway, processa a informacao e gera a acao decontrole que e enviada para o gateway novamente.Essa acao de controle e enderecada ao instrumentofinal (o mote que esta ligado ao sistema de atua-cao na rede) e cabe ao gateway apenas transmitirvia rede WirelessHART o sinal de atuacao atravesda chamada do metodo send via XML-RPC.

O sinal de atuacao e o valor de tensao a seraplicado a bomba do sistema de tanques. Mas,como o instrumento final (mote) nao possui umasaıda analogica para gerar a tensao necessaria, aacao de controle e repassada para o elemento comtal capacidade, o Arduino.

O Arduino conecta-se diretamente ao motee recebe a informacao pre-processada por este(a informacao sem o encapsulamento da Wireles-sHART) atraves de uma conexao serial. Entao oArduino captura apenas a parte da informacoesreferente a tensao a ser aplicada e gera em suasaıda analogica a tensao desejada. Essa tensao eaplicada a bomba, atraves do modulo de potencia,gerando o fluxo de agua que ira encher ou secar otanque e fechar a malha de controle.

Todo o sistema com seus elementos pode servisualizado na Figura 2.

Com o intuito de verificar o atraso no enviodos dados atraves da rede sem fio, o Arduino foiconectado ao computador onde a aplicacao de con-trole estava localizada. Assim, cada vez que a apli-cacao de controle enviava um novo sinal de ten-sao ele comecava a contar o tempo monitorandoa porta de comunicacao com o Arduino. Esse porsua vez, para cada nova tensao recebida, enviava atensao para o modulo de potencia e tambem, paraa aplicacao de controle via porta USB.

A aplicacao de controle entao realiza a dife-renca entre o tempo de envio e o tempo que chegouo valor de tensao a ser aplicado na bomba. Essadiferenca de tempo esta relacionada aos atrasosocorridos na rede cabeada, os atrasos de proces-samento de informacao no gateway e atrasos decomunicacao entre o gateway e o mote.

Teste Parameters (Kp, Ki, Kd)

8s sem fast pipe (0.0100, 0.0005, 0.0000)

4s sem fast pipe (0.0100, 0.0010, 0.0000)

1s sem fast pipe (0.0100, 0.0010, 0.0000)

1s com fast pipe (0.0100, 0.0010, 0.0000)

Tabela 1: Kp, Ki e Kd para cada rodada de testes.

O controlador PID desenvolvido em Java per-mite configurar os ganhos e o setpoint atraves deuma interface homem-maquina. Alem disso, a fer-ramenta ainda conta com a geracao de graficos emtempo real do processo de controle. A Figura 5exibe a interface grafica do controlador.

4.6 Resultados

Como prova de conceito, foi montada uma redeWirelessHART com as ferramentas apresentadasna secao anterior. O primeiro passo do teste foia configuracao do gateway e consequentemente ogerente da rede. Esta operacao foi realizada uti-lizando a porta serial. Foram informados o IP daporta Ethernet (gateway), a identificacao da redee as chaves de seguranca. O mote e o sensor depressao foram configurados em sequencia de modoa formar o cenario exibido na Figura 2.

Figura 5: Controlador.

Em seguida foram realizados 4 testes, cadaqual com uma taxa de atualizacao diferente ouconfiguracao de rede diferente, 4 configuracoes docontrolador (valores diferentes para os ganhos Kp,Ki e Kd) foram necessarias. A Tabela 1 ilustra asconfiguracoes para cada teste.

A funcao fast pipe foi necessaria para contro-lar o tanque com dados coletados a cada 1 se-gundo, pois a media da velocidade de transmissaona rede e superior a 2 segundos pelo que foi obser-vado. Tambem foi percebido que nos nossos testes,o fast pipe se mostrou instavel, pois nao durou porum tempo determinado. Para a mesma configura-cao, obtivesse duracoes variando de pouco mais de5 minutos e meio a 30 minutos. E na documenta-cao da Dust nao encontrasse nenhuma informacaosobre o que afeta essa duracao.

A Figura 6 apresenta o comportamento do nı-

vel do tanque onde a leitura da pressao, o proces-samento da acao de controle e o envio da acao decontrole para o atuador sao feitos a cada 8 segun-dos sem a utilizacao do fast pipe.

Figura 6: Controlador com tempo de 8 segundos.

Ja a Figura 7 apresenta o tempo de atrasona transmissao de cada pacote enviado a cada 8segundos sem a utilizacao do fast pipe.

Figura 7: Atraso do controlador com tempo de 8segundos.

A Figura 8 apresenta o comportamento do nı-vel do tanque onde a leitura da pressao, o proces-samento da acao de controle e o envio da acao decontrole para o atuador sao feitos a cada 4 segun-dos sem a utilizacao do fast pipe.

Figura 8: Controlador com tempo de 4 segundos.

Ja a Figura 9 apresenta o tempo de atrasona transmissao de cada pacote enviado a cada 4segundos sem a utilizacao do fast pipe.

A Figura 10 apresenta o comportamento donıvel do tanque onde a leitura da pressao, o pro-cessamento da acao de controle e o envio da acaode controle para o atuador sao feitos a cada 1 se-gundo sem a utilizacao do fast pipe.

Figura 9: Atraso do controlador com tempo de 4segundos.

Figura 10: Controlador com tempo de 1 segundo.

Ja a Figura 11 apresenta o tempo de atrasona transmissao de cada pacote enviado a cada 1segundo sem a utilizacao do fast pipe.

Figura 11: Atraso do controlador com tempo de 1segundo.

A Figura 12 apresenta o comportamento donıvel do tanque onde a leitura da pressao, o pro-cessamento da acao de controle e o envio da acaode controle para o atuador sao feitos a cada 1 se-gundo com a utilizacao do fast pipe.

Ja a Figura 13 apresenta o tempo de atrasona transmissao de cada pacote enviado a cada 1segundo com a utilizacao do fast pipe.

5 Conclusoes

A insercao das tecnologias de comunicacao sem fiotem proporcionado a criacao de novas aplicacoesem ambientes industriais. Face esse novo para-digma de comunicacao, a especificacao Wireles-sHART esta surgindo como uma solucao padrao.

Figura 12: Controlador com tempo de 1 segundousando a funcao fast pipe.

Figura 13: Atraso do controlador com tempo de 1segundo usando a funcao fast pipe.

Com o objetivo de desmistificar a utilizacaode tecnologias sem fio em malhas de controle in-dustriais, o trabalho mostrou que e possıvel fazerum sistema de controle com equipamentos indus-triais sem fio, embora haja limitacoes referentes avelocidade de coleta de informacoes na rede semfio. Tambem avaliou-se o desempenho de contro-ladores em redes WirelessHART com comunica-cao baseada em drivers de comunicacao universais(XML-RPC). A comunicacao com o gateway e in-dependente de linguagem de programacao, apre-sentando flexibilidade na integracao futura comdispositivos ja instalados em plantas industriais.

Como trabalhos futuros, pretende-se avaliaro desempenho de controladores em outras redespara identificar os melhores parametros da rede aserem utilizados para aplicacoes especıficas. Alemdisso, planeja-se comparar o desempenho dos con-troladores em outras redes sem fio e redes hıbridas(comunicacao com fio e sem fio).

Agradecimentos

Os autores agradecem a CAPES, ao CNPq pelosuporte financeiro atraves de bolsa de pesquisa ea UFRN pela infraestrutura de suporte ao desen-volvimento deste trabalho.

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