Como o Protocolo IP Pode Ajudar a Reduzir Custos no Seu Condomínio

Nesta época de crise, de mudanças na legislação trabalhista, buscam-se novas tecnologias para redução de custos e maiores controles. Neste cenário, recebi uma demanda de leitores sobre a possibilidade do uso da Internet e do protocolo IP para construção de uma solução de portaria virtual, ou seja, exclui-se a figura do porteiro local e cria-se uma posição remota onde um porteiro de uma empresa de vigilância terceirizada possa controlar até 5 condomínios simultaneamente. Obviamente isto deve reduzir muito o custo para os condomínios residenciais, sejam verticais ou horizontais. Não será considerada aqui a segurança física ou a operação do processo, uma vez que o intuito é discutir como a tecnologia IP e a Internet podem viabilizar este tipo de comunicação e controle.

Antes de propor uma ideia tecnológica, é importante entender o modo de operação de um condomínio simples sem tecnologia, com sistema de clausura e intertravamento:

  1. o porteiro identifica o morador e abre o primeiro portão, e neste caso o morador fica na clausura;
  2. o porteiro abre o segundo portão, que só pode ser aberto caso o primeiro portão esteja fechado (intertravamento), e o morador entra;
  3. o porteiro recebe um visitante e liga para a unidade que autoriza ou não a liberação da entrada; se houver liberação, o primeiro portão é aberto;
  4. o porteiro identifica o visitante por meio de RG, registra em livro e abre o segundo portão para o visitante entrar.

Um porteiro custa a um condomínio, dependendo da empresa, algo entre R$ 15.000,00 e R$ 20.000,00. Com a portaria virtual, este valor pode cair para algo entre R$ 6.000,00 e R$ 8.000,00. Obviamente toda a operação deve ser modificada, bem como o engajamento de todos os moradores, para se ter um nível de segurança aceitável, o que justifica a instalação apenas em condomínios de até 40 ou 50 unidades, ou seja, um porteiro virtual poderá atender até 250 unidades simultaneamente.

Como tratar a tecnologia IP neste cenário? Ela acabou sendo uma alternativa fantástica, viável e de baixo custo para viabilizar este novo cenário que vem crescendo de forma exponencial no Brasil.

Características que posso afirmar em relação a rede IP, mais especificamente a Internet:

  • é uma rede que funciona muito bem;
  • de grande resiliência;
  • de alta capilaridade;
  • permite qualidade de serviço por meio de MPLS e mecanismos de QoS;
  • garante segurança por meio de aplicações baseadas em VPN (Redes Virtuais Privadas) e IPSec;
  • é de baixo custo.

Desta forma, vou redesenhar nosso modo de operação com vista ao mundo IP e a Internet.

Nesse cenário, tem-se:

  1. a portaria virtual, com um porteiro real mais um monitor para visualização das imagens da portaria de um condomínio, e o controle remoto para abertura e fechamento dos portões;
  2. um bom acesso à rede pública IP (concessionária ou provedores de serviço);
  3. um PABX IP para viabilizar o tráfego de voz sobre IP ou VoIP;
  4. um banco de FXS para interconectar os ramais analógicos sem a necessidade de alteração da infraestrutura do condomínio, o que inviabilizaria a instalação em um primeiro momento, ou seja, o banco de FXS faz a conversão de um ramal IP para um ramal analógico;
  5. um interfone IP;
  6. um NVR (Network Video Recorder) + câmeras IP para a visualização remota;
  7. um sistema de controle local para abertura de portões com acesso via Internet.

Pronto, está definido e vamos detalhar esta ideia.

A figura 1 apresenta um visitante chegando a um condomínio e acessando o interfone IP. Este interfone IP tem uma interface Ethernet, um endereço IP que está ligado a uma porta de um switch no interior do condomínio, que está registrado em um servidor SIP (PABX IP), também no interior do condomínio.

 

Fase 1 da comunicação - portaria virtual
Figura 1 – Fase 1 da comunicação

 

A portaria virtual entra em contato com o condômino, figura 2,  via SIP (protocolo de sinalização de voz), controlado pelo PABX IP  e transporte da voz codificada com compressão por meio de codificadores como o G.729 de boa qualidade, que autoriza ou não a entrada desse visitante.

Todas as chamadas ficam gravadas no PABX IP e o acesso só é feito com a liberação do morador.

 

Fase 2 da comunicação - portaria virtual
Figura 2 – Fase 2 da comunicação

 

A portaria virtual retorna o acesso ao visitante, figura 3, ou prestador com acesso positivo ou negativo para sua entrada.

 

Fase 3 da comunicação - portaria virtual
Figura 3 – Fase 3 da comunicação

 

A portaria virtual habilita remotamente via Internet, figura 4, a entrada do visitante ou prestador de serviços por meio de portas com chaves magnéticas.

 

Fase 4 da comunicação - portaria virtual
Figura 4 – Fase 4 da comunicação

 

Finalizando a ideia, temos a figura 5 que retrata com mais detalhe como a tecnologia IP pode ajudar neste novo cenário que começa a ser desenhado.

 

Detalhe do sistema proposto - portaria virtual
Figura 5 – Detalhe do sistema proposto

 

No desenho da figura 5 tem-se um sistema com uma placa controladora de porta que pode ser acessado via Internet, com alimentação PoE (Power over Ethernet) para abertura de duas fechaduras magnéticas, com controle biométrico, para o caso de moradores e intertravamento.

Da mesma forma, em cada porta tem-se um conjunto de câmeras IP tipo HD (alta definição) com, no mínimo, 2 MP, ligadas a um switch ou às portas ethernet PoE do NVR. Boa parte dos equipamentos NVR possuem, ainda, entradas digitais que permitem monitorar os sistemas de cerca elétrica e infravermelho perimetral que irão notificar o porteiro remoto ou virtual.

Caso o visitante conheça a unidade, poderá chamar diretamente um condômino que também poderá habilitar o acesso ao visitante. Para maior segurança, os sinais das câmeras IP podem ser compartilhados na antena coletiva do condomínio, de modo que cada morador possa acompanhar este acesso da televisão da sua residência.

Como se trata de comunicação de voz, é importante contratar da operadora uma boa conexão à Internet com garantia de qualidade, no caso da voz e vídeo, segurança baseada em VPN IPSec com a utilização de caminhos baseados em rótulos ou MPLS do condomínio até a central de monitoração. Para garantir uma banda suficiente para transmissão de áudio e vídeo, sugere-se, no mínimo, um acesso com garantia de 8 Mbps considerando as imagens das câmeras de alta definição, do transporte de voz e controle de abertura dos portões.

Como o sistema fica muito dependente da Internet, sugere-se também a contratação de um segundo link de acesso à Internet de outra operadora, como segurança no caso da queda do primeiro link, na mesma taxa, e mecanismos automáticos no roteador no interior do condomínio como, por exemplo, o HSRP (Hot Standby Router Protocol).

 

Conclusão:

Há alguns anos, já se falava de redes convergentes, ou seja, todos os sistemas de comunicação, voz, vídeo ou dados, iriam convergir para o transporte via IP. Rapidamente esta ideia vem se concretizando em todos os meios, chegando com força ao controle residencial, condominial, predial comercial ou industrial.

Com a ampliação da comunicação via celular, novas tecnologias de controle de acesso vêm ganhando espaço, como o NFC (Near Field Communication) que representa um conjunto de padrões para comunicação por radiofrequência criado para transferência de dados entre o celular e outros equipamentos, conforme figura 6, que poderão também complementar nossa solução.

 

Acesso via NFC
Figura 6 – Acesso via NFC

 

Algumas Perguntas Frequentes Sobre o Zigbee

No artigo anterior, falamos do protocolo Zigbee e mostramos porque esta tecnologia é fundamental para a Internet das Coisas (IoT).

Agora, respondemos algumas perguntas frequentes sobre essa tecnologia.

 

Qual é a especificação do Zigbee IP?

O Zigbee IP é a primeira especificação IPv6 baseada em padrões abertos para redes de sensores sem fio. A Aliança Zigbee fez um investimento significativo para trazer protocolos de rede IPv6 para redes de malha sem fio IEEE 802.15.4. A especificação IP do Zigbee oferece uma arquitetura escalável com redes IPv6 de ponta a ponta com base em protocolos padrão da Internet, como 6LowPAN, IPv6, PANA, RPL, TCP, TLS e UDP para criar uma rede de malha sem fio econômica e eficiente em termos de energia. O Zigbee IP permite que dispositivos de baixa potência participem nativamente com outros dispositivos Ethernet, Wi-Fi e HomePlug habilitados para IPv6 sem a necessidade de gateways intermediários.

 

Quais recursos de Zigbee IP estão disponíveis atualmente?

A especificação Zigbee IP está disponível hoje para download público. Tanto os desenvolvedores de software como os fornecedores de chips criaram implementações da especificação Zigbee IP. Você pode encontrar uma lista completa na Aliança Zigbee – Zigbee Compliant Platforms.

 

O Zigbee IP pode ser usado em outras tecnologias MAC/PHY baseadas em IEEE 802.15.4?

Sim, porque a especificação Zigbee IP é construída com uma arquitetura em camadas e, portanto, é adequada para qualquer camada de link dentro da família 802.15.4. O Zigbee IP incorpora tecnologias como 6LoWPAN e RPL que otimizam o engate e o roteamento para redes de sensores sem fio. Esta mistura de tecnologias resulta em uma solução que é adequada para estender as redes IP às tecnologias MAC/PHY baseadas no IEEE 802.15.4.

 

Qual é a relação entre o Zigbee IP e o Zigbee Smart Energy versão 2.0?

O Zigbee Smart Energy 2.0 é um padrão baseado em IP que oferece recursos de gerenciamento e eficiência de energia. O IP Zigbee foi projetado especificamente para fornecer uma pilha de protocolo IPv6 que pode operar em dispositivos de baixo custo e de baixa potência, e também suporta os requisitos do Zigbee Smart Energy 2.0. Esta combinação permitirá a criação de dispositivos sem fio com longa duração da bateria que serão elegíveis para obter o selo do produto certificado Zigbee.

 

Quais são os atributos técnicos IEEE 802.15.4 em que a especificação Zigbee é baseada?

O Zigbee IP aproveita ao máximo um poderoso padrão de rádio físico IEEE 802.15.4 e operações em bandas sem licença em todo o mundo, incluindo faixas de 2,4 GHz (global), 915 MHz (Américas), 868 MHz (Europa) e 920 MHz (Japão). As taxas brutas de transferência de dados de 250 kbps podem ser alcançadas a 2,4 GHz (16 canais), 40 kbps a 915 MHz (10 canais) e 20 kbps a 868 MHz (1 canal). As distâncias de transmissão variam de 50 a 200 metros, dependendo da potência e das características ambientais.

 

Quais métodos o Zigbee usa para alcançar baixo consumo de energia?

O Zigbee IP permite que os dispositivos alimentados por bateria funcionem por horas ou mesmo dias, reduzindo o uso da bateria. O ciclo de funcionamento dos nós alimentados por bateria dentro de uma rede Zigbee é projetado para ser muito baixo, oferecendo ainda mais eficiência energética e maior autonomia da bateria. Uma vez associada a uma rede, um nó Zigbee pode acordar, se comunicar com outros dispositivos Zigbee e voltar a dormir.

 

Como o Zigbee IP compensa possíveis interferências na banda de 2,4 GHz?

Os produtos Zigbee IP têm acesso a 16 canais separados de 5 MHz na faixa de 2,4 GHz. Vários destes não se sobrepõem com as versões europeias do Wi-Fi. O Zigbee incorpora um mecanismo CSMA-CA definido pelo IEEE 802.15.4 que reduz a probabilidade de interferir com outros usuários, além usar retransmissão automática de dados para garantir a robustez da rede. Como o ciclo de trabalho de um produto Zigbee geralmente é extremamente baixo, são transmitidas poucas unidades de dados por pacotes, reduzindo a probabilidade de transmissão infrutífera. Além disso, o conjunto de protocolos IP do Zigbee contém mecanismos que permitem que uma rede operacional se mova para um canal diferente.

 

Como o Zigbee IP aborda a confiabilidade sem fio?

O IP Zigbee foi projetado para os ambientes hostis de RF que rotineiramente existem em aplicações comerciais convencionais. Ao utilizar Direct Sequence Spread Spectrum com recursos, incluindo evitação de colisões, detecção de energia do receptor, indicação de qualidade de link, avaliação de canais claros, reconhecimento, segurança, slots e frescura de pacotes, as redes Zigbee oferecem aos fabricantes de produtos uma solução altamente confiável.

 

Como as redes IP do Zigbee estão protegidas?

O Zigbee IP oferece recursos de segurança extensivos, incluindo autenticação de rede baseada em PANA/EAP e controle de admissão, re-keying de rede, criptografia de camada 2 baseada em AES-128-CCM e autenticação e criptografia de camada de aplicativo TLS.

 

O Zigbee IP suporta diferentes modos de segurança?

A segurança IP do Zigbee pode ser adaptada para atender uma grande variedade de necessidades do mercado.

 

Quantos dispositivos uma rede IP do Zigbee pode suportar?

As redes IP do Zigbee usam protocolos de Internet escaláveis ​​que não impõem qualquer limitação explícita ao tamanho da rede. Na prática, o tamanho da rede geralmente é limitado pela quantidade de dados transmitidos e a memória disponível nos dispositivos individuais. Para as plataformas e aplicativos baseados em IEEE 802.15.4, uma rede pode suportar dezenas de dispositivos. Os coordenadores do Twork podem operar redes separadas que coexistam na mesma área física e isso pode aumentar ainda mais o número de dispositivos suportados. A Zigbee Home Automation ou outros padrões desenvolvidos da Zigbee Alliance são executados no Zigbee IP. Somente o Zigbee 2030.5 foi planejado para funcionar no Zigbee IP. O Zigbee IP foi projetado especificamente para suportar esse padrão devido aos seus requisitos exclusivos. Nenhum outro padrão Zigbee é capaz de operar em uma rede IP e, portanto, não pode utilizar esta especificação. No entanto, os fabricantes individuais podem estar desenvolvendo seus próprios aplicativos no Zigbee IP.

 

O que os padrões IETF suportam do Zigbee IP?

O Zigbee IP suporta 6LoWPAN para compressão de cabeçalho, IPv6, PANA para autenticação, RPL para roteamento, TLS e EAP-TLS para segurança, TCP e protocolos de transporte UDP. Outras aplicações da Internet, como HTTP e mDNS, podem ser suportadas como aplicativos que operam em relação ao Zigbee IP.

 

Os dispositivos Zigbee IP e os dispositivos Zigbee PRO interoperam?

Os dispositivos IP Zigbee e os dispositivos Zigbee PRO não podem ser instalados na mesma rede. Eles só podem se comunicar através do uso de um gateway especial que está equipado com ambas as especificações.

 

Redes Zigbee IP, Zigbee PRO e Zigbee RF4CE coexistem no mesmo espaço?

Todas as redes Zigbee podem funcionar juntas com sucesso em qualquer ambiente doméstico, comercial ou industrial. Eles também coexistem com outras tecnologias sem fio.

 

As redes IP do Zigbee interoperam com outras tecnologias, como Wi-Fi?

A especificação IP do Zigbee é baseada no protocolo da Internet. O Zigbee 2030.5 foi projetado especificamente para usar o Zigbee IP, permitindo a troca de informações perfeitamente entre dispositivos que utilizam qualquer MAC/PHY habilitado para IP (Wi-Fi, Ethernet, HomePlug etc.).

 

Bibliografia

http://www.zigbee.org

 

O Zigbee e o Mundo da IoT

O que é Zigbee? Por que esta tecnologia é fundamental para a Internet das Coisas (IoT) e está modificando o mundo onde vivemos?

Zigbee é um protocolo de comunicação definido pelo IEEE 802.15.4 (vale lembrar que o Bluetooth é definido pelo IEEE 802.15), ou seja, é um protocolo de transmissão sem fio que os dispositivos usam para se conectar uns aos outros. Na verdade, o Zigbee já pode estar em sua casa agora e você ainda não percebeu.

Vou lhe dizer onde: se você mora em um condomínio predial novo e já foi instalado um medidor de água e gás individualizado, fatalmente já tem Zigbee na sua casa.

 

Exemplo de medidor de gás com pulsos transmitidos via Zigbee
Figura 1 – Exemplo de medidor de gás com pulsos transmitidos via Zigbee

 

O Zigbee melhora o conforto, uma vez que esta tecnologia trabalha para você, testando a temperatura do ambiente, controlando luzes, abrindo cortinas, entre outras diversas funções.

Mantém você seguro, uma vez que permite “ver” a sua casa quando você pessoalmente não pode, alertando-o para intrusos, fumaça, vazamento de gás, monóxido de carbono, controle de energia e até vazamentos de água.

Zigbee é confiável e aproveita o poder da malha (mesh) para conectar um dispositivo a todos os outros dispositivos. Desta forma, se um dos seus dispositivos falhar, os outros continuarão a se comunicar sem interrupção.

Zigbee é interoperável, uma vez que está muito bem padronizado desde a comunicação básica até a forma como o produto opera. Os produtos com o logotipo da aliança Zigbee funcionam perfeitamente, mesmo que sejam de diferentes empresas.

Zigbee consome baixa potência e permite que os dispositivos durem anos com uma única bateria (5 anos ou mais, dependendo do dispositivo).

Neste contexto, foi criada a Aliança Zigbee, que é a base e o futuro da IoT. Fundada em 2002, com uma ampla associação global que colabora para criar e desenvolver padrões universais abertos para os produtos, transformando a maneira como vivemos, trabalhamos e jogamos.

O quadro a seguir apresenta as principais características, definições e benefícios da tecnologia.

 

Características Definição Benefícios
IEEE 802.15.4 – transmissão via RF. Rádio bidirecional baseado em padrões internacionais. O padrão global garante um sólido desempenho.
Operação global em 2,4 GHz, 915 MHz nas Américas, 868 MHz Europa e 920 MHz no Japão. Zigbee suporta radiofrequências. Aprovado para operação conveniente e sem licença na maior parte do mundo.
Segurança da camada de link com AES-128-CCM. Segurança de dados sem fio para máxima proteção. As comunicações sem fio são protegidas usando algoritmos comprovados.
Compressão de cabeçalho 6LoWPAN. Os cabeçalhos IPv6 são compactados antes da transmissão via ar. A sobrecarga de transmissão reduzida aumenta a eficiência e o desempenho.
Rede de malha sem fio de autoconfiguração e autorecuperação. Arquitetura de rede. Fácil de usar com maior robustez e confiabilidade. Implementação sem toque, com seleção automática de canais, atribuição de endereço, estabelecimento de rotas etc.
Protocolos de rede escaláveis baseados em padrões da Internet. Protocolos de rede. Protocolos de rede comprovados e bem compreendidos.
Suporte e endereçamento do protocolo IPv6 em cada nó. Endereçamento do nó. Cada nó é individualmente acessível e pode ser endereçado através do protocolo IPv6.
Protocolo de roteamento IPv6 padrão. Protocolo de rede. O mesmo protocolo de rede usado na Internet.
Suporte para protocolos de transporte TCP e UDP para permitir o alcance total. Protocolos de transporte. Permite uma ampla gama de aplicativos da Internet (como HTTP etc.) a serem implantados.
Suporte para o encaminhamento multicast para suportar a descoberta de serviço baseada em mDNS. Protocolo de descoberta de serviço. Permite a descoberta do serviço via mDNS, protocolos DNS-SD.
Protocolo TLS v1.2 para segurança de ponta a ponta. Protocolos de segurança. Protocolos de segurança comprovados com gama de algoritmos criptográficos.
Suporte de comissionamento sem fio. Permite a criação de novas ferramentas de configuração para facilitar a adição de dispositivos a uma rede. Novas ferramentas de configuração podem ser usadas para adicionar dispositivos na rede, modificar a configuração da rede etc.
Hosts IPv6 de baixa potência com operação de rádio com rede de serviço. Baixo consumo de potência. A pilha de protocolos suporta operação de muito pouca energia e anos de duração da bateria.
Núcleos de sensor de baixo custo com pilha de rede IPv6 completa. Baixo custo. Menor custo em comparação com a maioria dos nós IPv6 sem fio.
Integração da rede de sensores com Internet mais ampla sem uso de gateways intermediários ou tradutores de protocolos. Internetworking. IPv6 de ponta a ponta permite que a rede de sensores IP Zigbee seja integrada de forma transparente com outras redes baseadas em IP.

 

Atualmente a Aliança Zigbee oferece três especificações que servem de sistema de rede base para facilitar os padrões de mercado interoperáveis. Essas especificações são suportadas por uma cadeia de suprimentos robusta e competitiva, tornando mais fácil para adicionar Zigbee aos produtos que são:

 

  • Especificação Zigbee PRO

O Zigbee PRO foi projetado para fornecer a base para a Internet de Coisas com recursos especificamente necessários para suportar redes de baixo custo e altamente confiáveis ​​de comunicação de dispositivo a dispositivo. É otimizado para baixo consumo de energia e para suportar grandes redes com milhares de dispositivos. É um sistema inovador, de autoconfiguração de nós redundantes, de baixo custo, de muito baixo consumo de energia, flexibilidade, mobilidade e a facilidade para se utilizar. O Zigbee PRO oferece uma característica inovadora, o Green Power, que suporta dispositivos autoalimentados que não dependem de baterias ou da rede elétrica.

 

  • Especificação Zigbee RF4CE

O Zigbee RF4CE foi projetado para aplicativos de controle de dispositivos bidirecionais simples, bidirecionais que não requerem recursos de rede de malha completos, oferecidos pela especificação do Zigbee. O Zigbee RF4CE oferece requisitos de tamanho de memória mais baixos, permitindo implementações de baixo custo. A simples topologia de dispositivo para dispositivo proporciona um fácil desenvolvimento e testes.

O Zigbee RF4CE fornece uma solução interoperável multifornecedor para produtos eletrônicos de consumo com uma rede de comunicação simples, robusta e de baixo custo para conectividade sem fio de duas vias.

 

  • Especificação Zigbee IP

O Zigbee IP é o primeiro padrão aberto para uma solução de rede de malha sem fio completa com base em IPv6 e fornece conexões de Internet perfeitas para controlar dispositivos de baixo consumo de energia e de baixo custo. Ele conecta dezenas de dispositivos diferentes em uma única rede de controle. O Zigbee IP foi projetado para suportar especificamente o Zigbee 2030.5, um padrão de aplicativo baseado em IP para uso por utilitários em casa.

A especificação Zigbee IP enriquece o padrão IEEE 802.15.4, adicionando camadas de rede e de segurança e uma estrutura de aplicativos. O Zigbee IP oferece uma arquitetura escalável com rede IPv6 de ponta a ponta, lançando as bases para a Internet das Coisas sem a necessidade de gateways intermediários. Ele oferece uma rede de malha sem fio econômica e eficiente em termos de energia, baseada em protocolos padrão da Internet como 6LoWPAN, IPv6, PANA, RPL, TCP, TLS e UDP. Também possui segurança comprovada de ponta a ponta usando o protocolo TLS1.2, a segurança da camada de link com base no algoritmo AES-128-CCM e suporte para infraestrutura de chave pública usando certificados X.509 v3 padrão e conjunto de cifras ECC-256. O Zigbee IP permite que dispositivos de baixa potência participem nativamente com outros dispositivos Ethernet, Wi-Fi e HomePlug habilitados para IPv6.

A partir desta base, os fabricantes de produtos podem usar o padrão Zigbee Smart Energy versão 2 para criar soluções interoperáveis ​​de vários fornecedores. Tal como acontece com qualquer especificação da Zigbee Alliance, aplicações personalizadas, conhecidas como perfis específicos do fabricante, podem ser desenvolvidas sem a interoperabilidade de múltiplos fornecedores.

As características do Zigbee IP incluem:

  1. operação global na faixa de frequência de 2,4 GHz de acordo com IEEE 802.15.4;
  2. operação regional em 915 MHz (Américas), 868 MHz (Europa) e 920 MHz (Japão);
  3. incorpora mecanismos de economia de energia para todas as classes de dispositivos;
  4. apoia desenvolvimento de mecanismos de descoberta com confirmação de aplicação completa;
  5. suporta o desenvolvimento de mecanismos de emparelhamento com confirmação de aplicação completa;
  6. topologia de estrela múltipla e comunicação de rede de área interpessoal (PAN);
  7. unicast e opções de transmissão multicast;
  8. mecanismo de atualização de chave de segurança;
  9. utiliza o esquema de segurança AES-128-CCM padrão da indústria;
  10. suporta padrões da Aliança ou inovações específicas do fabricante.

As redes IP do Zigbee são compostas por vários tipos de dispositivos: Zigbee IP Coordenador, Zigbee IP Roteador e Zigbee IP Hosts. Os coordenadores controlam a formação e a segurança das redes, os roteadores ampliam o alcance das redes e os hosts realizam funções específicas de detecção ou controle. Os fabricantes geralmente criam dispositivos que realizam múltiplas funções, por exemplo, um termostato de comunicação programável que também pode encaminhar mensagens para o restante da rede. A figura 2 ilustra um exemplo de topologia de Zigbee IP que inclui um coordenador, um roteador de borda para o acesso à Internet, cinco dispositivos de roteamento e dois dispositivos finais criando uma rede de controle. Um exemplo de rede em uma casa inteligente pode ser um coordenador sendo um termostato de comunicação programável com suporte avançado para uma exibição em casa. Dispositivos como tomadas inteligentes, termostatos e aparelhos inteligentes podem ser configurados como dispositivos de roteamento. Dispositivos simples, como aparelhos inteligentes e sensores de temperatura, podem ser dispositivos finais.

 

Topologia da rede Zigbee IP
Figura 2 – Topologia da rede Zigbee IP

 

Conclusão:

O Zigbee IP é a primeira especificação IPv6 baseada em padrões abertos para redes de sensores sem fio. A Aliança Zigbee fez um investimento significativo para trazer protocolos de rede IPv6 para redes de malha sem fio IEEE 802.15.4. A especificação IP do Zigbee oferece uma arquitetura escalável com redes IPv6 de ponta a ponta com base em protocolos padrão da Internet, como 6LowPAN, IPv6, PANA, RPL, TCP, TLS e UDP para criar uma rede de malha sem fio econômica e eficiente em termos de energia . O Zigbee IP permite que dispositivos de baixa potência participem nativamente com outros dispositivos Ethernet, Wi-Fi e HomePlug habilitados para IPv6 sem a necessidade de gateways intermediários.

A especificação Zigbee IP está disponível hoje para download público. Tanto os desenvolvedores de software como os fornecedores de chips criaram implementações da especificação Zigbee IP. Você pode encontrar uma lista completa na Aliança Zigbee – Zigbee Compliant Platforms.

 

Bibliografia

http://www.zigbee.org

 

O Protocolo KNX

Em artigos anteriores, apresentamos a tecnologia IoT ou Internet das Coisas, bem como a capacidade de controle de dispositivos utilizando a mobilidade com as redes sem fio e o protocolo IP. Pode-se, neste contexto, atentar para os diversos elementos de rede existentes em um prédio inteligente considerando um protocolo que vem ganhando cada vez mais adeptos no Brasil que é o protocolo KNX.

O protocolo KNX é um padrão aberto para todas as aplicações de domótica, abarcando desde a iluminação e controle de elementos de automação predial padronizando a interconexão de diversos sistemas como segurança, aquecimento, ventilação, ar condicionado, monitoração, alarme, controle de água, eficiência energética, eletrodomésticos, som, entre outros. A tecnologia pode ser utilizada em edifícios residenciais e não residenciais novos e já existentes.

A figura 1 apresenta a versatilidade do protocolo, uma vez que se trata de um sistema aberto com possibilidade para “conversar” com demais protocolos do mundo IP ou do mundo de automação industrial, como o Modbus, BACnet, CAN etc.

 

Figura 1 – Controles do sistema do protocolo aberto KNX para ambiente predial (fonte: http://eurodomotica-knx.com.br/br/knx/)

 

É uma tecnologia flexível que pode ser implementada em qualquer plataforma de processadores com o uso de dispositivos de uma série de fabricantes na área de domótica, que tem crescido rapidamente no Brasil.

O KNX é um protocolo global para domótica que considera:

O KNX está aprovado nas comissões europeias e americanas como:

  • norma europeia (CENELEC EN 50090 e CEN EN 13321-1);
  • norma internacional (ISO/IEC 14543-3);
  • norma chinesa (GB/T 20965); e
  • norma dos EUA (ANSI/ASHRAE 135).

Ferramenta KNX – o ETS

ETS significa Software Engineering Tool: é uma ferramenta independente para projetar e configurar instalações como casas e edifícios para permitir o controle inteligente com o sistema KNX.

ETS é um software que funciona em computadores baseados em plataforma Windows © para apoio na realização de projetos de automação predial nas seguintes fases e tarefas:

  • projeto de planejamento e design;
  • comissionamento;
  • documentação de projeto;
  • diagnóstico e solução de problemas.

As áreas de aplicação incluem:

  • controle de iluminação (comutação, dimerização, “iluminação ambiente”);
  • controle de sombreamento (persianas, cortinas);
  • aquecimento, ventilação, ar condicionado (sala de controle individual de temperatura, controle de radiadores, unidades térmicas, caldeiras, coolers, ventiladores, …);
  • acesso e segurança (detecção de presença, detecção e alarme de roubo e de incêndio, simulação de presença, interruptor de pânico);
  • gestão de energia (consumo de medição, corte de carga, …);
  • funções de conforto e controle inteligente em todas as aplicações (controle de usuário central, controle de processo inteligente, combinação de cenário …);
  • controle remoto e manutenção remota (por exemplo via telefone ou Internet).
  • interface com sistemas complementares ou periféricos (produtos da linha branca, consoles de supervisão, gestão de instalações, sistemas de segurança dedicados, áudio, multimídia, serviços, …).

O KNX funciona basicamente em barramento, conforme figura 2, o que diminui a grande quantidade de cabos para distribuição dos diversos elementos da rede, onde cada elemento passa ser endereçado enviando e recebendo informações de um processador central.

 

Figura 2 – Barramento da rede KNX                               (fonte: http://www.knx.org/)

 

Na figura 3 tem-se o esquema de ligação de dispositivos KNX.

 

Figura 3 – Esquema de ligação de dispositivos KNX         (fonte: http://www.knx.org/)

 

O protocolo permite em uma visão funcional:

  1. distribuição;
  2. aplicação de modelos para as várias tarefas;
  3. automação (este é, afinal, o objetivo principal do sistema);
  4. configuração e gerenciamento, para gerir adequadamente todos os recursos na rede permitindo a ligação lógica ou ligação de partes de um aplicativo distribuído, que são executados em diferentes nós;
  5. um sistema de comunicação, com um conjunto de meios de comunicação física, um protocolo de mensagem e modelos para a pilha de comunicação em cada nó correspondente;
  6. este sistema de comunicação tem de suportar todos os requisitos de comunicação de rede para a configuração e o gerenciamento de uma instalação, bem como para hospedar aplicativos distribuídos nela (este é tipificado pelo KNX Kernel);
  7. modelos de dispositivos, resumidos em perfis, para a realização eficaz e combinação dos elementos para desenvolver produtos ou dispositivos reais, que serão montados e ligados em uma instalação.

Formato do quadro

Agora é hora de termos um pequeno olhar para o formato real da mensagem KNX, como uma série codificada no quadro enviado no barramento.

A figura 4 apresenta o formato do protocolo.

 

Figura 4 – Quadro de informação do protocolo KNX

 

 

O Campo de Controle determina a prioridade de quadro e distingue entre o padrão e uma versão estendida.

O campo Endereço pode ser de um para um (unicast) ou grupo (multicast).

A Contagem de saltos do quadro é decrementada pelos roteadores para evitar looping das mensagens. Quando se torna zero, o quadro é descartado a partir da rede, assim como acontece com o campo TTL do protocolo IP.

A TPCI controla as relações de comunicação, camada de transporte, por exemplo, para construir e manter um conexão ponto-a-ponto.

Por sua vez, a APCI completa as ferramentas de serviços de camada de aplicação (ler, escrever, responder, …) que estão disponíveis para o esquema de endereçamento e comunicação de relacionamento. Dependendo do esquema de endereçamento e APCI, o quadro padrão pode transportar até 14 octetos de dados. O protocolo permite a segmentação para transferência em massa, como o download de um programa de aplicação inteira, e é de responsabilidade da gestão do cliente, por exemplo, com o uso de ferramenta ETS.

O quadro padrão assegura a compatibilidade com outros sistemas e o quadro alargado pode abrigar até 248 octetos de dados. Seu uso é definido principalmente para LTE-Mode.

Finalmente, a Checagem do Quadro ajuda a garantir a consistência dos dados e transmissão.

Conclusão:

O KNX é uma mistura coerente de protocolos, interfaces de programação, modelos e ferramentas que estão disponíveis, permitindo explorar e construir soluções que integram a instalação da rede de dispositivos em um ambiente de LAN ou WAN.

As especificações KNX permitem integração com as redes de pacotes IP de forma flexível, uma vez que é possível encapsular o quadro KNX sobre um trecho IP. Existem também implementações deste protocolo, sob a forma de comunicadores iETS (ETS Internet), que permitem a manutenção remota de KNX nas instalações.

Permite a integração com outros sistemas, como:

  • SCADA (Supervisão, Controle e Aquisição de Dados Automatizado), por exemplo, via OPC (OLE for Process Control);
  • gateways de serviço remoto, por exemplo, via OSGi;
  • ambientes de rede locais ou remotos, intranet, extranet e aplicações de internet, sistematicamente por meio de protocolos baseados em IP (Internet Protocol);
  • específicos para estabelecimento de padrões em automação predial, como BACnet.

O KNX tem surgido como um protocolo importante para integração de elementos de automação aproveitando a capilaridade da rede IP para acessos e controles de forma remota.

 

Bibliografia

http://eurodomotica-knx.com.br/br/knx/

http://www.knx.org

O IP no Mundo da Automação Predial e o RS-485

Temos acompanhando a tecnologia de IoT (Internet das Coisas) e o seu desenvolvimento, mas ainda existem diversos passos para percorrermos até que as tecnologias de comunicação fiquem totalmente IP ou que todas as redes convirjam para a arquitetura IP no que chamamos de redes convergentes. Infelizmente não podemos mudar tudo do dia para a noite, uma vez que envolve não só custos de hardware, mas também horas e horas de trabalho com softwares.

Por que insistimos no “mundo” IP? Porque tem alta capilaridade, chega em qualquer lugar do mundo, é barato, funciona muito bem, pode-se implementar funções de QoS (Qualidade de Serviço), permite altas taxas que podem chegar comercialmente, a Tbps, além de ser uma arquitetura leve e relativamente simples.

Um dos pontos que estaremos discutindo neste artigo, trata dos prédios inteligentes ou automação predial, que vem ao encontro da ideia do IoT, considerando que um prédio pode ser um ponto controlado não só internamente, mas também ser acessível via rede pública IP, que utiliza na maioria dos casos, localmente, o protocolo TIA/EIA 485 na camada física e nas camadas superiores, conforme figura 1, protocolos como o Modbus, BACnet, entre outros.

A norma que especifica o padrão RS-485, no entanto, não especifica o formato nem a sequência de caracteres para a transmissão e recepção de dados. Neste sentido, além da interface, é necessário identificar também o protocolo utilizado para comunicação.

A rede BACnet MS/TP define a troca de mensagens BACnet utilizando o padrão RS-485 como meio físico.

O BACnet e Modbus utilizam o protocolo RS-485 (TIA/EIA-485-A) no modo half-duplex com uma sinalização em 9600, 19200, 38400 e 76.800 baud, em distâncias curtas (<100 pés ou 30 metros).

Uma rede RS-485 pode também utilizar dois pares trançados, operando no modo full-duplex especificando um comprimento máximo de 1200 metros para os cabos de comunicação.

Também é possível, utilizando uma infraestrutura baseada em Ethernet local, que pode ser mais acessível converter para BACnet MS/TP ou Modbus RTU sobre RS-485 e este para TCP/IP BACnet ou Modbus TCP/IP sobre Ethernet.

Pronto, já temos o “mundo” IP entrando no mundo da automação predial com muito sucesso.

O BACnet  foi criado pela Sociedade Americana de Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado (ASHRAE), onde começou a ser desenvolvido a partir de uma discussão pública no ano de 1987, sendo declarado como um “standard” no mercado em 1995 e, desde então, tem sido apoiado e mantido pela ASHRAE.

BACnet significa Building Automation and Control Networks, que é um meio de integração de sistemas gestão de edifícios com um conjunto de regras para criação de redes interoperáveis, ou seja, é um padrão aceito no mercado interno (ASHRAE/ANSI 135-2004), na Europa (CEN TC 247), e no mundo (ISO 16484-5).

O padrão BACnet, figura 1, define seis tipos de redes de comunicação para transporte de mensagens BACnet. O tipo de rede define a camada física e de enlace. Os seis tipos de redes são:

  • BACnet ARCnet;
  • BACnet Ethernet;
  • BACnet Lontalk;
  • BACnet MS/TP;
  • BACnet Point-to-Point;
  • BACnet IP.
Figura 1 – Arquitetura do protocolo BACnet

 

Vamos discutir o Protocolo BACnet utilizando o padrão RS-485 para as camadas física e de enlace, denominado BACnet MS/TP (Mestre Escravo/Token Passing). As estações BACnet MS/TP podem ser divididas em dois grupos, estações mestre e estações escravas, conforme a faixa de endereço da estação.

A Estrutura das Mensagens no BACnet MS/TP define que o frame pode ter de 0 a 501 bytes (octetos) e cada byte é composto por 8 bits sem paridade com start e stop bit, conforme ilustra a figura 2.

 

Figura 2 – Estrutura do byte

 

Recepção (RX): O tempo máximo entre cada byte (Tframegap) é de 20 bit times. E o tempo mínimo entre frames (Tturnaround) após o stop bit do último byte do frame é 40 bit times, conforme figura 3.

Transmissão (TX): o sinal RTS deve ser desabilitado após (Tpostdrive) 15 bit times depois do envio do stop bit.

 

Figura 3 – Recepção dos dados BACnet

 

O frame de dados BACnet é formado por um cabeçalho (header) e os dados, como ilustra a figura 4.

 

Figura 4 – Frame BACnet

 

Enquanto a velocidade for relativamente baixa e as distâncias relativamente curtas, a influência da topologia da rede em seu desempenho não é significativa. Contudo, quando os efeitos de linhas de transmissão começam a aparecer, há apenas uma topologia simples que permite gerenciar estes efeitos. A figura 5 mostra alguns tipos de topologias. Apenas no tipo “daisy chain”, onde todos os dispositivos são conectados diretamente aos condutores da linha de comunicação principal, controla as reflexões causadoras de erros de comunicação.

 

Figura 5 – Topologia da rede de automação predial baseada em BACnet

 

Isso não significa que não se possa implementar uma rede com outra topologia. Entretanto, na prática, controlar as reflexões em uma rede tipo estrela (por exemplo) é algo um pouco complexo.

Como a automação predial está caminhando para o IP?

Uma rede local, LAN, seja com ou sem fio, permite a ligação em estrela com interconexão por meio de switches posicionados em locais cuja distância não ultrapasse os 90 metros (considerando o padrão de cabeamento estruturado com Categoria 5e, 6 ou 7) ou via fibra óptica, dependendo da taxa, a distâncias que podem chegar a 2 ou mais quilômetros em fibra multimodo.

Os módulos de automação parecem seguir, até um certo ponto, para uma rede baseada em Ethernet com switch ao invés do tradicional sistema em barramento e ficar totalmente compatível com o Ethernet/IP, conforme figura 6.

 

Figura 6 – Rede IP interconectando com uma rede RS-485

 

Mas ainda existem diversos questionamento das empresas que trabalham com automação no sentido da facilidade do uso, endereçamento, economia e ligação das redes em barramento utilizadas hoje ou, em alguns casos, novos módulos que já permitem interface IP/Ethernet conforme a figura 7, ligando por meio de gateways, redes baseadas em RS-485.

 

Figura 7 – Web Services usados para integrar BAS

 

Os Web Services (Serviços Web) tornaram-se rapidamente o padrão para comunicações B2B, desta forma, é natural se perguntar se vão substituir BACnet, LonWorks, ou outros protocolos dentro dos BAS. Isso não é provável, por várias razões que comentaremos a seguir.

Para começar, ninguém desenvolveu um conjunto de serviços da Web que abrange todas as funções necessárias para um barramento como o caso da topologia Daisy Chain, mais utilizada em automação, além do formato de transmissões, alarmes, sincronização de tempo, backup e restauração. Há uma série de funções do BAS que simplesmente não são cobertos no padrão de serviços Web proposto até agora. Certamente tal padrão poderia ser desenvolvido, mas seria em essência mais um protocolo para a aceitação no mercado. Deveria ser um protocolo adequado para um BAS porque os serviços da Web exigem mais “overhead” do que a maioria dos controladores BAS pode proporcionar. Vale lembrar que os serviços da Web usam XML para se comunicar através de uma rede IP como forma para empacotar dados. Estas características também significam que é necessário ser processado por um computador poderoso e transmitidos através de uma rede de alta velocidade. Isto está além das capacidades dos controladores que normalmente são utilizados em equipamentos de automação. Esta pode ser uma limitação temporária uma vez que novos microprocessadores ganham potência e velocidade a cada ano e, principalmente porque já existem protocolos como o BACnet que desenvolveram formas mais eficientes de integração de controladores e estão abertos para utilização por qualquer equipamento ou fabricante uma vez que há muito pouco incentivo para mudar esses controladores para serviços na Web.

Os computadores e as redes têm “potência” para lidar com serviços da Web e provavelmente haverá certa quantidade vinculações, se não for a programação personalizada, necessários para fazer as ligações, mas as características do XML simplificam a tarefa do programador. As chances são de que o programador já esteja familiarizado com os serviços da Web de integrações B2B anteriores, o que simplifica ainda mais o trabalho. A adição de um novo padrão ASHRAE para os serviços da Web promete ainda uma maior simplificação, usando a tecnologia IP e da fundação da BACnet para colocar um edifício no mundo da automação baseado em IP.

Conclusão:

Sistemas de automação baseados em IP estão ganhando impulso, graças aos vários fatores que contribuem com a penetração da Internet nos dispositivos computacionais cada vez mais baratos e suas respectivas plataformas. A tecnologia da informação é uma poderosa ferramenta e as empresas podem efetivamente explorar a infraestrutura existente para integrar sistemas de automação, permitindo o acesso remoto, gerenciamento e controle distribuído.

Por outro lado, a tecnologia IP de próxima geração, o IPv6, permitirá um endereço IP disponível para praticamente todos os elementos de rede, uma vez que o número de dispositivos, aplicações e serviços baseados em tecnologias IP está crescendo exponencialmente, tornando imperativo ter endereços IP suficientes para atender a esta nova demanda.

Relativo ao tipo e os requisitos de aplicação, a construção de softwares ou equipamentos proprietários podem explorar as tecnologias de flexibilidade do IP para realizar a interoperabilidade e convergência. Nota-se que existem muitas vantagens em optar por tecnologias IP, observando o bom uso da infraestrutura de rede. Verifica-se que na maioria dos casos, os utilizadores destas tecnológicas tem muito a contribuir e, portanto, seu conhecimento e perspectiva em relação a segurança da comunicação pode e deve ser reforçada para o benefício do edifício.

 

Bibliografia

http://www.ccontrols.com/pdf/ExtV1N1.pdf

http://www.novus.com.br/

http://www.bacnetinternational.org/