INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA PARAÍBA CAMPUS CAJAZEIRAS DIREÇÃO DE ENSINO UNIDADE ACADÊMICA DA ÁREA DE INDÚSTRIA COORDENAÇÃO DO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

MÓDULO DE ACIONAMENTO E MONITORAMENTO VIA WEB

RENATO FRANKLIN RANGEL TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO : ÁGIO GONÇALVES DE MORAES FELIPE

ORIENTADOR

COORIENTADOR: SAMUEL ALVES DA SILVA

Cajazeiras - PB, Março de 2012 1

Renato Franklin Rangel

MÓDULO DE ACIONAMENTO E MONITORAMENTO VIA WEB

Trabalho de conclusão de curso apresentado como parte das atividades para obtenção do título de Tecnólogo em Automação Industrial, do curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial do Instituto Federal da Paraíba, área de concentração em Automação Industrial.

Orientador: Ágio Gonçalves de Moraes Felipe. Coorientador: Samuel Alves da Silva.

Cajazeiras - PB, 2012 2

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus por ter me conferido saúde, sabedoria, enfim, todas as condições necessárias para o desenvolvimento desse trabalho. Agradeço também aos meus pais por me terem concedido dignidade e educação, a meus irmãos e familiares como um todo pelo apoio e confiança, em especial a minha tia Julia que foi imprescindível durante toda a minha graduação. Aos meus professores e orientadores por toda a paciência e dedicação e aos colegas de curso pelo companheirismo.

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RESUMO

O presente trabalho propõe a implementação de um dispositivo microcontrolado capaz de controlar remotamente, equipamentos e processos industriais. Baseado no microcontrolador PIC18F87J60, este dispositivo utiliza a internet como meio de comunicação, fornecendo ao usuário versatilidade e baixo custo. O desenvolvimento das páginas web é realizado a partir de códigos em HTML, CSS, XML, funções de JavaScript e Ajax. Como exemplo de aplicação, o acionamento e monitoramento de um sistema de iluminação a partir do módulo com internet embarcada, o qual proporcionará ao usuário total controle sob a iluminação de um ambiente através de uma pagina web . Palavras-chave: microservidor, internet embarcada, acionamento e monitoramento

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ABSTRACT This work proposes the implementation of a micromachined device can remotely control, equipment and industrial processes. Based on the PIC18F87J60 microcontroller, this device uses the Internet as a means of communication, providing the user with versatility and low cost. The development of web pages is done from code in HTML, CSS, XML, JavaScript and Ajax functions. As an application example, the activation and monitoring of a system of illumination from the module with embedded internet, which will give the user full control over the lighting of an environment through a web page. Keywords: Microserver, embedded internet, activation and monitoring

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LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 – Esquema de acesso de dados remotamente ........................ ............ ......................... ................. .... 13 Figura 2.1 – Modelo 360 IBM de 1964 ........................ ............ ......................... .......................... .......................... ..................... ........ 17 Figura 2.2 – Estações conectadas ao meio usando padrão 10Base5........................ 10Base5.................. ...... 23 Figura 2.3 – Estações conectadas ao meio usando padrão 10BaseT. ...................... .................... .. 24 Figura 2.4 – Camadas do modelo de protocolos OSI. ......................... ............ .......................... ....................... .......... 28 Figura 2.5 – Funcionamento da comunicação entre as camadas do modelo OSI......29 Figura 2.6 – Comunicação virtual no modelo OSI. .......................... ............. ......................... ......................... ................. 30 Figura 2.7 – Grupos das camadas do modelo OSI. .................................. ..................... .......................... ................. .... 31 Figura 2.8 – Comparação estrutural em relação às camadas entre os modelos de referencia OSI e TCP/IP. ............................................................................................ 33 Figura 2.9 – Diagrama simplificado de um µC baseado na arquitetura Harvard. .......39 Figura 2.10 – Controlador Ethernet ENC28J60. ......................... ............. ......................... .......................... ................... ...... 42 Figura 2.11 – Interface de rede 100/10BaseT ........................ ........... .......................... .......................... ....................... .......... 42 Figura 3.1 – Comportamento do modelo de referência e protocolos implementados na pilha da microchip. ..................................................................................................... 44 Figura 3.2 – Comparação estrutural do Modelo de Referência TCP/IP e a Pilha TCP/IP da Microchip.. ................................................................................................ 45 Figura 3.3 – Formato da imagem MPFS2. ......................... ............ .......................... ......................... ......................... ................. 48 Figura 3.4 – Formato do FAT de entrada MPFS2. .................................... ....................... .......................... ................. .... 48 Figura 3.5 – Formato do bloco de dados.......................... ............ ......................... ......................... .......................... ................. .... 49 Figura 3.6 – Diagrama de pinos do PIC18F87J60. ......................... ............ ......................... ......................... ................. 51 Figura 3.7 – Diagrama de Blocos do PIC18F87J60. ......................... ............ .......................... ......................... ............ 51 Figura 3.8 – Diagrama de bloco do Módulo Ethernet .......................... ............. .......................... ....................... .......... 52 Figura 3.9 – Dimensões físicas f ísicas do PIC18F87J60. .......................... ............. ......................... ......................... ................. 53 Figura 3.10 – Interface Ethernet PME10A de 10Mbps .......................... ............. .......................... ..................... ........ 54 Figura 3.11 – Ambiente de trabalho do MPLAB IDE v8.50 ..................... ........ .......................... ................... ...... 56 6

Figura 3.12 – Ambiente de desenvolvimento do Proteus. ......................... ............. ......................... ................. .... 57 Figura 3.13 – Gravador PICkit2. .......................... ............. .......................... .......................... ......................... ......................... ................. .... 57 Figura 3.14 – Tela inicial do Dreamweaver CS3. .......................... ............. ......................... ......................... ................. .... 58 Figura 4.1 – Solicitação via GET. .......................... ............. .......................... .......................... ......................... ......................... ................. 64 Figura 4.2 – Menu de arquivos que compõem a pilha ......................... ............ .......................... ....................... .......... 66 Figura 4.3 – Circuito eletrônico em simulação. .......................................................... 68 Figura 4.4 – Compilador das páginas web . .......................... ............. .......................... .......................... ......................... ............ 69 Figura 4.5 – Informações referentes a página web compilada. .......................... ............. ..................... ........ 60 Figura 4.6 – Arquivo mpfsupload carregado no navegador ......................... ............ ......................... ................. 70 Figura 4.7 – Módulo montado para o controle de iluminação via web . ...................... ......................71 Figura 4.8 – Circuito condicionador de sinal .............................................................. 72 Figura 5.1 – Interface de gravação PICkit2. ......................... ............ .......................... .......................... ......................... ............ 74 Figura 5.2 – Exemplo de variáveis no arquivo status.xml. .......................... .............. ......................... ................. 77 Figura 5.3 – Requisição ao arquivo xml. .......................... ............. .......................... ......................... ......................... ................. .... 78 Figura 5.4 – Esquemático do módulo conectado a rede e ao sistema de iluminação. ................................................................................................................................... 78 Figura 5.5 – Página de acesso ao controle de iluminação via Web ......................... ............ ................. 79 Figura 5.6 – Requisição de login e senha para acesso a página de controle ............ ........ .... 80 Figura 5.7 – Status da sala (luzes acesas e sistema liberado) ............................ ............... ................... ...... 81 Figura 5.8 – Status da sala (circuitos desligados e sistema bloqueado) .................... ............ ........ 81

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 10 1.1 Fundamentação Teórica ...................................................................................... 12 1.2 Arquitetura Proposta ............................................................................................ 13 1.3 Objetivos .............................................................................................................. 15 1.3.1 Geral .............................................................................................................. 15 1.3.2 Específicos......................... ............ ......................... ......................... .......................... .......................... .......................... ......................... ............ 15 1.4 Estrutura do Trabalho........................ ........... .......................... .......................... .......................... ......................... ......................... ................. 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................... 17 2.1 Desenvolvimento das Redes de Comunicação e da Internet ......................... ............ ................... ...... 17 2.2 Surgimento do Padrão Ethernet ........................ ........... .......................... .......................... .......................... ......................... ............ 22 2.3 Modelo de Referência OSI (MR-OSI) ......................... ............ .......................... ......................... ......................... ................. .... 27 2.4 Pilha de Protocolos TCP/IP – Arquitetura da Internet ......................... ............. ......................... ................. .... 33 2.5 Microcontroladores ............................................................................................... 37 2.6 Internet Embarcada .............................................................................................. 41 3 FERRAMENTAS UTILIZADAS NO DESENVOLVIMENTO DO PROJETO................ ............ .... 43 3.1 Pilha TCP/IP da Microchip® .......................... ............. .......................... .......................... ......................... ......................... ................. .... 43 3.1.1 Servidor HTTP da Microchip® ....................................................................... 46 3.1.2 Microchip File System 2 (MPFS2) .......................... ............. .......................... ......................... ......................... ................. 47 3.2 Microcontrolador PIC18F87J60 ......................... ............ .......................... .......................... .......................... ......................... ............ 49 3.3 Especificação de Hardware ......................... ............ .......................... ......................... ......................... .......................... ................... ...... 53 3.4 MPLAB IDE .......................................................................................................... 55 3.5 PROTEUS ............................................................................................................ 56 3.6 GRAVADOR PICkit2 ............................................................................................ 57 3.7 Ferramentas para o Desenvolvimento de Páginas Web ................................ ................... ................... ...... 58 3.7.1 Dreamweaver......................... ............ .......................... ......................... ......................... .......................... .......................... ..................... ........ 58 3.6.2 TECNOLOGIAS PARA APLICAÇÕES WEB ................................................. 59 8

4 IMPLEMENTAÇÃO DO PROJETO ............................................................................ 62 4.1 Desenvolvimento do Software ......................... ............ .......................... .......................... ......................... ......................... ................. 62 4.1.1 Desenvolvimento da Página Web .................................................................. 62 4.1.2 Servidor HTTP ............................................................................................... 63 4.1.3 Configuração da Pilha TCP/IP ....................................................................... 65 4.1.4 Testes Desenvolvidos no Simulador ........................ ........... .......................... .......................... ......................... ............ 67 4.2 Desenvolvimento de Hardware ............................................................................ 70 5 FUNCIONAMENTO DO PROJETO PROPOSTO ................................... ...................... .......................... ................... ...... 74 5.1 Gravação da Página Web e da Pilha TCP/IP no Módulo ............................. ................ ..................... ........ 74 5.2 Funcionamento da Aplicação Web Junto ao Microservidor.......................... ............. ..................... ........ 75 5.2.1 Funcionamento do Módulo Junto ao Sistema de Iluminação ......................... ............. ............ 78 6 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 82 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 83

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1 INTRODUÇÃO Com o contínuo avanço da tecnologia e da automação envolvendo o setor industrial, há sempre a necessidade de novas pesquisas e desenvolvimento de novas técnicas. Dentre os inúmeros pontos a serem estudados e desenvolvidos dentro de um processo, está o acionamento e monitoramento de sistemas ou máquinas, os quais estão diretamente relacionados com a agilidade e qualidade da produção dentro de uma fábrica ou a equipamentos usados no nosso dia-a-dia como condicionadores de ar, sistemas de iluminação, equipamentos elétricos domésticos em geral e etc. Sendo assim, o estudo e viabilização das novas tecnologias são indispensáveis não só para os processos industriais, mas também nas áreas fundamentais para o bem estar humano. Atualmente existem alguns dispositivos de controle responsáveis pela parte de comandos de sistemas ou equipamentos, Controladores Lógicos Programáveis - CLPs por exemplo. Esse controlador pode acionar máquinas por métodos pré-definidos e também monitorar as mesmas. O problema deste tipo de controle é que o investimento da automatização é relativamente alto, o que, dependendo do processo se torna economicamente inviável e, ainda há a necessidade da presença de um operador no ambiente para iniciar o processo, saber em que estado ele se encontra e/ou para o recolhimento dos dados de monitoramento. Os sistemas de comunicação de dados, em especial a internet, vem se tornando uma ferramenta cada vez mas essencial para o homem moderno, aumentando significativamente a eficiência daqueles que utilizam seus seus recursos recursos (MOKARZEL, 2004). De browsers web de telefones celulares a cafés que oferecem acesso sem fio à internet, de redes domésticas com acesso a banda larga a infra-estruturas tradicionais de TI (Tecnologia da Informação) em ambientes de trabalho com PCs (Computadores 10

Pessoais) interligados em rede, carros em rede, redes de sensores ambientais, internet interplanetária - quando achamos que as redes de computadores já estão praticamente presentes em toda parte, novas aplicações começam a ser desenvolvidas para ampliar mais ainda o alcance das redes existentes hoje (KUROSE, 2006). A enorme praticidade proporcionada pelo desenvolvimento atual das redes e da internet, de em qualquer lugar que se tenha acesso a um navegador web , seja por meio de um computador, um laptop , um PDA (Personal Digital Assistants  - assistente pessoal digital) ou mesmo pelo telefone celular, poder verificar o estado de um sistema ou equipamento que se encontra geograficamente distante e, dali mesmo ter condições de executar sua operação, é uma realidade possível de ser implementada, graças à disposição das redes ethernets nos mais variados ambientes, complementada pela possibilidade de fazer com que os dados adquiridos por um microcontrolador, responsável pelo gerenciamento do processo, estejam disponíveis. Para isso, o microcontrolador deverá conter um controlador ethernet embarcado, possibilitando-o além da implementação da pilha de protocolos TCP/IP (conjunto de protocolos organizados em camadas que regem o funcionamento da Internet onde os dois principais são respectivamente o Transmission Control Protocol  – Protocolo de Controle de Transmissão /  Internet Protocol  – Protocolo de Internet) a conexão e disponibilização dos dados na rede. Podendo assim ser considerado um microservidor web . Este trabalho apresenta a viabilidade técnica e econômica no desenvolvimento e implementação de um módulo de pequeno porte, flexível, com um baixo consumo de energia, baixo custo e baseado em um microcontrolador usado para controlar via rede ethernet outros dispositivos elétricos remotamente através da internet. Será demonstrado como exemplo prático, o controle de um sistema de iluminação, no qual o usuário terá total controle sob o mesmo através do acesso à página, desde saber como se encontra o estado das luzes (acesas ou apagadas), ou controlando tal estado (acendendo/apagando), tendo ainda a opção de liberar ou não o sistema para ser operado no próprio ambiente através dos interruptores. Ao mesmo tempo, este trabalho envolve um grande desenvolvimento científico/tecnológico, relacionando diretamente conceitos de: eletrônica, microcontroladores, linguagens de programação, redes de comunicação e interfaces web . Havendo assim, uma aplicação direta de conhecimentos adquiridos ao longo do curso em casos práticos de automação. 11

1.1 Fundamentação Teórica Atualmente, a internet se apresenta em contínuo avanço oferecendo a seus usuários meios de obter e divulgar informações, com isso, a existência de um estudo profundo na sua estrutura de conectividade, representa um importante fator de desenvolvimento técnico-social. É crescente também a realização de estudos para viabilidade de sistemas e equipamentos inteligentes, que recebem esse nome por serem dotados de circuitos eletrônicos com capacidade de processamento. A associação destes dispositivos com a internet, já permitem a conectividade e o acesso a nível global de sistemas eletrônicos e eletro-eletrônicos como dispositivos domésticos, industriais e etc. A partir de conhecimentos básicos na área de comunicação industrial é fácil perceber que a diferença entre as redes e os dispositivos conectados a elas vem diminuindo. Pois, há um número crescente de dispositivos eletrônicos conectados em rede independentemente de um computador ou servidor, e busca-se contar com características tais como eficiência, economia, confiabilidade, segurança e compatibilidade com os padrões internacionais de comunicação e topologias de redes atuais, tornado-os compactos e funcionais. Atentos a essas situações, muitos fabricantes tem direcionado investimentos para a produção de sistemas embutidos com suporte a rede, área que está em franca expansão, atualmente muitos deles direcionam suas tecnologias para plataformas de sistemas embutidos, inclusive alguns deles com suporte para interface de rede (SILVA, 2002). Com todas essas inovações, as atuais aplicações de acionamento e/ou monitoramento remoto se tornaram mais simples e com um custo menor por não haver mais a necessidade de um computador como servidor dedicado se comunicando com uma placa de aquisição de dados, bastando agora, utilizar apenas uma placa dotada de um microcontrolador com ethernet embutida. A necessidade, em um primeiro momento, do uso de um computador como servidor dedicado é justificado pelo mesmo ser responsável por conter as páginas web , utilizada como interface de interação com a placa, o servidor web , responsável pelo armazenamento e publicação das páginas na internet, o programa, responsável pelo gerenciamento das ações no hardware dependendo da ação do usuário junto à página, e também responsável pela comunicação placa/servidor. 12

A partir do momento que se utiliza a tecnologia da internet embarcada, empregando microcontroladores com ethernet embutida, extingui-se a necessidade de usar um computador como servidor, uma vez que, o servidor web , as páginas web  e o programa de aplicação estão armazenados no próprio dispositivo, a comunicação com o computador servidor, naturalmente, não é mais necessário. Esse modelo possibilita que monitoramento e acionamento possam ser realizados a partir de uma rede local ou da Internet, utilizando um dispositivo dedicado e de baixo custo (SANTOS, 2009).

1.2 Arquitetura Proposta O propósito final desse trabalho é a implementação de um módulo microcontrolado capaz de se conectar a internet possibilitando o acionamento e monitoramento de cargas via web , viabilizando, dentre outras aplicações possíveis, o controle de um sistema de iluminação.

Figura 1.1 – Esquema de acesso de dados remotamente

A Figura 1.1ilustra o esquemático da implementação proposta. Foi utilizado no projeto um microcontrolador da família PIC18F, este oferece, dentre outros recursos, a possibilidade de conexão a internet. A particularidade dessa linha de microcontroladores é que alguns modelos, como por exemplo, o PIC18F87J60, possuem a capacidade de comunicar-se diretamente com a rede ethernet, motivo principal que levou a escolha desse dispositivo para o projeto, enquanto outros, apesar de serem capazes de implementar a pilha de protocolo TCP/IP, não tem a capacidade 13

de conexão direta a camada física da rede, sendo necessário um controlador ethernet externo, como, por exemplo, o ENC28J60, também fornecido pela Microchip  ®. A utilização desse controlador implica na necessidade da elaboração de circuitos de tensão devidos a uma provável incompatibilização das tensões de trabalho entre o controlador e o PIC, e, ainda, o uso de transformadores de isolamento entre o controlador e a interface de rede, isso para o casamento das impedâncias e a proteção elétrica do controlador ethernet. A pilha TCP/IP utilizada neste projeto é a desenvolvida e fornecida gratuitamente pela Microchip  ® e é similar a uma pilha TCP/IP tradicional. O objetivo da mesma é permitir que um microcontrolador se conecte a internet como se fosse um computador, a mesma é embarcada na memória não-volátil ( Flash ) do microcontrolador, a fim de estabelecer a conexão lógica com uma máquina remota em um determinado segmento de rede. O HTTP – Hypertext Transfer Protocol  (Protocolo de Transferência de Hipertexto), que pertence a camada de aplicação da pilha TCP/IP, é responsável pela transferência de dados (texto, imagens ou sons) na internet. Dessa forma, um navegador (Internet Explorer, Firefox , etc.), se comportando como cliente, utiliza o HTTP para requisitar páginas web a um servidor (módulo embarcado) conectado a uma rede local ou a internet. O módulo microcontrolado, quando conectado a rede desenvolverá a função de servidor web . A página contida neste microservidor precisará mostrar conteúdos dinâmicos quando acessada, e interagir com o usuário quando ele fornecer entradas através da própria página que por sua vez enviará uma informação para o microservidor o qual retornará novos dados que deveram ser mostrados na página. Essas variações de dados podem ser realizadas através do AJAX ( Assyncronous  JavaScript And XML ) que é uma técnica recente que usa um conjunto de tecnologias padrões como o XML e o HTML dinâmico que usa HTML, CSS e JavaScript juntos. O AJAX elimina a necessidade de se atualizar a página inteira a cada requisição do usuário (como acontece no modelo web  clássico). Com a comunicação assíncrona, a transmissão de dados é mais eficiente, pois a atualização é feita somente com os dados necessários. Dessa maneira há mais interatividade e rapidez (SILVA, 2009).

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1.3 Objetivos 1.3.1 Geral Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um módulo microservidor para acionamento e monitoramento de cargas através de redes ethernet.

1.3.2 Específicos •

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Utilizar a Internet para o monitoramento das variáveis envolvidas em um processo e ainda como ferramenta de inserção de entradas para o acionamento remoto de cargas; Adquirir conhecimentos sobre a tecnologia Internet Embarcada, que consiste basicamente na conexão de sistemas embarcados à rede; Demonstrar, ao nosso público escolar, a importância e a viabilidade da utilização dessa tecnologia, ainda pouco explorada, para o desenvolvimento de automatizações no ambiente industrial; Melhorar as condições de trabalho do ser humano, por meio da eliminação do contato direto para acionamento ou leitura de diagnósticos de equipamentos que funcionam em ambientes perigosos ou insalubres; Desenvolver habilidades na utilização de softwares  que possibilitam a construção e simulação de circuitos eletrônicos e o desenvolvimento de programas que comandam a seqüência de funcionamento de um hardware  através de um microcontrolador; Implementação de um software  que promova o controle e a aquisição remota dos dados do sistema via web em tempo real; Desenvolver testes do sistema proposto, primeiro com auxilio dos softwares  de simulação e logo depois no componente físico; Utilizar como exemplo de aplicação, o controle de um sistema de iluminação através do módulo de acionamento e monitoramento via web .

1.4 Estrutura do Trabalho O capítulo 1 apresenta um breve resumo sobre a importância dos dispositivos embarcados com possibilidade de acesso a rede e das tecnologias e ferramentas utilizadas nesse trabalho, assim como os objetivos que levaram o desenvolvimento do mesmo. 15

O segundo capítulo faz uma revisão bibliográfica que abrange desde o desenvolvimento das redes e da Internet, redes Ethernet, modelos de referência OSI (Interconexão de Sistemas Abertos) e TCP/IP - comparando as duas tecnologias com um resumo das funções das camadas que os constituem, até a utilização de microcontroladores e sua aplicação com a tecnologia t ecnologia de Internet embarcada. O capítulo 3 dispõe as ferramentas utilizadas para o desenvolvimento de software  e hardware . O capítulo 4 traz a implementação do projeto, com a programação da página web e adaptação da pilha TCP/IP da Microchip® à aplicação. É disposto também os processos de compilação e simulação em software  do projeto, assim como a estruturação física do hardware  relacionando os componentes utilizados para montagem do mesmo. O Capítulo 5 explica o funcionamento da aplicação web  junto ao módulo embarcado. Em seguida descreve o funcionamento do módulo controlando remotamente (via Internet ou rede Ethernet local) um circuito de iluminação. No capítulo 6 encontra-se a conclusão do trabalho e a sugestão para trabalhos futuros.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Nesse capítulo estão apresentados alguns conceitos importantes para o desenvolvimento do trabalho proposto, desde um breve resumo a cerca do desenvolvimento das redes e da Internet, importância das redes Ethernets, modelos de referência da pilha TCP/IP, fundamentos de microcontroladores e Internet embarcada.

2.1 Desenvolvimento das Redes de Comunicação e da Internet Uma rede é um conjunto de dispositivos interconectados capazes de enviar e\ou receber informações entre eles, e surgiu exatamente da necessidade da troca de informações, onde é possível ter acesso a um dado que está fisicamente localizado distante de você. O desenvolvimento das redes de comunicação entre computadores possibilitou o extraordinário sistema de comunicação existente hoje e que teve inicio à cerca de quatro décadas.

Figura 2.1 – Modelo 360 IBM de 1964

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Por volta dos anos 60 os sistemas computacionais eram altamente centralizados e existiam poucas unidades de computadores, estes eram chamados de mainframes , máquinas de grande porte, geralmente instalados em uma sala com paredes de vidro, que pertenciam a grandes organizações de pesquisas e importantes universidades. Esses computadores tinham capacidades de processamento isoladas, eram incapazes de se comunicar com um outro computador. A Figura 2.1 mostra um modelo desses computadores. Segundo STEMMER (2010), nessa mesma época, na tentativa de melhorar a interatividade usuário\computador surgiu uma técnica denominada time-sharing , que consistia na conexão de um conjunto de terminais ao computador central através de linhas de comunicação de baixa velocidade permitindo a um grande conjunto de usuários o compartilhamento de um único computador para a resolução de grandes quantidades e diversidades de problemas (cálculos complexos, ensino de programação, aplicações militares, etc.). Esse aumento na demanda implicava na necessidade crescente de atualizações e incrementos nas capacidades de armazenamento e cálculos da unidade central, o que nem sempre era possível, pois esses computadores do tipo mainframe geralmente não eram adaptados para suportar determinadas extensões. Interessada em encontrar um modo de compartilhar informações através de computadores para agilizar o trabalho de seus pesquisadores, a Agencia de Projetos e Pesquisas Avançadas (ARPA), do Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DoD), patrocinava grupos de pesquisadores para o desenvolvimento de uma rede de comunicação capaz de sobreviver a uma guerra nuclear. Segundo FOROUZAN (2006) em 1967, num encontro da Association Computing Machinery  (ACM) o grupo ARPA apresentou as idéias do projeto ARPANET, uma rede pequena de computadores. A idéia era que cada computador ( host ), ), não importando o fabricante, pudesse se comunicar a um computador específico, denominado IMP ( interface message  processor – processadores de mensagens de interface ). ). Os IMPs tinham a capacidade de se conectar e se comunicarem entre si, assim como estabelecer comunicação com o host que pedia acesso a rede. Uma das estratégias da ARPA, que desenvolvia um conceito criado por Paul  Baran na Rand Corparation  em 1960-4, foi criar um sistema de comunicação invulnerável a ataques nucleares. Com base na tecnologia de comunicação de trocas de pacotes, o sistema tornava a rede independente de centros de comandos e controle 18

(CASTELLS, 1999). Em 1969, seguindo o conceito de rede com controle descentralizado com a possibilidade de envio de dados digitais em pequenos pacotes que carregavam informações sobre o endereço dos dados, controle de erros e sobre o seqüenciamento das informações, a ARPANET tornou-se uma realidade. Neste novo cenário, cada computador conectado a rede era considerado um ponto, ou um nó, mesmo que um dispositivo conectado ou parte do segmento da rede falhasse a parte ainda operante rotearia os pacotes até o seu destino. Esta primeira rede de computadores iniciou-se com quatro nós, a Universidade da Califórnia em Los Angeles  (UCLA), a Universidade Califórnia em Santa Bárbara (UCSB), o Stanford Research Institute  (SRI) e a Universidade da Utah . De acordo com FOROUZAN (2006), um software  batizado de Network Control Protocol  (NCP) controlou a comunicação entre os hosts, e segundo MORIMOTO (2009), eles eram interligados por links  de 50 Kbps, criados utilizando linhas telefônicas dedicadas, adaptadas para o uso como links  de dados. Essa velocidade em conexões de longa distância era impressionante pra época onde as pessoas se dispunham de uma taxa de 110 bits por segundo com seus modems domésticos. Esses quatro nós interligados, que se encontravam distantes uns dos outros, se tratavam de quatro computadores de arquiteturas diferentes, formando uma rede que tinha um propósito inicial de testes, mas, houve um crescimento tão grande que nos primeiros anos da década de 70 já havia dezenas de computadores “pendurados” nesta rede, interligando universidades, instituições militares e empresas. Cada nó era conectado com pelo menos dois outros, o que garantia a operação da rede, pois mesmo com a interrupção de varias conexões a mesma ainda continuaria funcionando. Em meados de 1973, Vinton Cerf  e Robert Kahn , cientistas da computação que faziam pesquisas na ARPA, criaram a arquitetura fundamental da Internet especificando um protocolo de transmissão que seria compatível com os pedidos de vários pesquisadores e as diversas redes existentes (CASTELLS, 2009). Tratava-se do estabelecimento do protocolo de controle de transmissão ( Transmission Control  Protocol - TCP) que promovia a entrega segura de pacotes de dados em toda a rede. Enquanto isso, várias organizações programavam suas próprias redes, tanto para comunicação interna quanto para comunicação entre organizações, em pouco tempo havia uma grande variedade de hardware  e software  de rede, gerando problemas de compatibilização o que implicava um novo desafio: fazer com que diferentes redes se interligassem. Por volta de 1978, Vinton Cerf , junto com outras 19

autoridades da área da computação, solucionaram esse problema dividindo o TCP em duas partes, surgindo assim, o protocolo inter-redes ( Internetworking Protocol  - IP), mais tarde denominado como Internet Protocol . O IP ficaria responsável por rotear as informações entre as redes, enquanto o TCP assegurava que as mensagens fossem corretamente enviadas de seu remetente até o destinatário. Assim, o TCP/IP estabeleceu-se como um protocolo padrão, capaz de adaptar-se à diversidade, se tornando a forma de comunicação mais comum entre computadores sendo a arquitetura definitiva da ARPANET e mais tarde da Internet. De acordo com CASTELLS (2009), ainda era necessário mais uma convergência tecnológica para que os computadores se comunicassem: a adaptação do TCP/IP ao UNIX, um sistema operacional que viabilizava o acesso de um computador a outro. Esse sistema foi inventado pela Bell Laboratories  em 1969, mas só passou a ser amplamente usado depois de 1983, quando os pesquisadores de Berkeley (também financiados pela ARPA) adaptaram o protocolo TCP/IP ao UNIX. Paralelo ao desenvolvimento dessa rede universal de computadores custeada pelo Pentágono, nos quais os estudos, em primeiro momento, eram restritos a grandes universidades e renomados cientistas, existiam um grande número de intelectuais e estudantes a procura de formas de transferir informações entre seus computadores. A prova disso foi a invenção do modem, em 1978 por dois estudantes de Chicago. Ward  Chrisrensen  e Randy Suess  realizaram a descoberta quando buscavam uma forma de transferir programas entre microcomputadores via telefone. Em 1979, divulgaram o protocolo XModem , que permitia a transferência direta de arquivos, sem passar por um sistema principal, entre as máquinas. Assim, as redes de computadores que não pertenciam ao projeto ARPANET descobriam uma maneira de se comunicar. O primeiro sistema amplamente utilizado de conversas on-line , a Usenet News , surgiu a partir de uma versão modificada do protocolo UNIX o qual possibilitava a interligação de computadores via linha telefônica comum. Esse sistema foi desenvolvido em 1979 por três estudantes da Duke University  e da Universidade da Carolina do Norte, não inclusas na rede ARPANET. Em fins da década de 1980, alguns milhões de usuários de computador já estavam usando as comunicações computadorizadas em redes cooperativas ou comerciais que não faziam parte da Internet. Em geral, essas redes usavam protocolos que não eram compatíveis entre si, portanto adotaram protocolos da Internet, mudança

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que na década de 1990, garantiu sua integração com a Internet e, assim, a expansão da própria Internet (CASTELLS, 1999). Apesar de todo o desenvolvimento já alcançado, a busca de informações através da Internet ainda oferecia complicações, havia muitas dificuldades para localizar e receber informações específicas e a capacidade de transmissão de gráficos, por exemplo, ainda era muito limitada. Até então, as pesquisas e as trocas de informações eram realizadas através do sistema Gopher , que utilizava o FTP – File Transfer  Protocol  – para troca de arquivos. Como ele é baseado apenas em texto, tornava a pesquisa e a leitura bastante tediosas. Esses problemas foram solucionados a partir de um novo avanço tecnológico, o desenvolvimento de um aplicativo denominado World Wide Web  – WWW, a vasta teia mundial, que facilitou o acesso a conteúdos na Internet através da organização do teor das informações contidas na rede, agilizando as pesquisas e permitindo aos usuários localizar e visualizar documentos baseados em multimídia – textos, animações, imagens gráficas, áudios ou vídeos – sobre qualquer assunto, de maneira estruturada, através da Internet. De acordo com DEITEL (2003), em 1990, Tim Berners-Lee , do CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire  – Laboratório Europeu de Pesquisa Nuclear) desenvolveu a World Wide Web e vários protocolos de comunicação que foram o backbone , ou a espinha dorsal, da Web . Segundo SAMPAIO (1996), a WWW foi criada inicialmente para facilitar a troca de informações e descobertas entre a comunidade científica, mas rapidamente, com o surgimento do navegador web Mosaic , de Mark Andressen , tomou conta de toda a Internet. Informa ainda, que o grande truque da WWW é ser baseada em arquitetura Cliente-Servidor, o que divide a responsabilidade do processamento entre o computador do usuário e o do provedor de acesso. Isto permite que, enquanto um está formatando os dados, o outro está transmitindo imagens e etc. Ao novo sistema de organizar informações através da WWW, deu-se o nome de ‘hipertexto’. Berners Lee  junto à equipe da CERN criaram um formato para esses documentos de hipertexto, a linguagem de marcação de hipertexto – HTML, acrescentando essa formatação ao protocolo TCP/IP e configurando um novo protocolo de transferência de hipertexto – HTTP, para orientar a comunicação entre navegador e servidor. Em fevereiro de 1990, a ARPANET, ainda sustentada pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos e operada pela Fundação Nacional de Ciência, encerrava 21

suas atividades passando a responsabilidade de “espinha dorsal da Internet” para NSFNET também operada pela National Science Foundation , que operou até abril de 1995, quando o governo anunciou a privatização da Internet. Fato, provavelmente provocado, por fortes pressões comerciais e pelo grande aumento de usuários com o crescimento das redes de empresas privadas e de redes corporativas sem fins lucrativos. A partir de então, surgiram varias empresas denominadas ISPs ( Internet Service  Providers  - provedores de serviços da Internet), que ofereciam a usuários comuns de computadores a possibilidade de conexão de suas máquinas à Internet, e o mundo todo a abraçou criando uma verdadeira teia mundial. Desde a década de 1960 a Internet sofreu muitas mudanças. Hoje ela é uma grande rede TCP/IP constituída de milhões de pequenas redes trabalhando juntas. O seu poder de comunicação, juntamente com os progressos em telecomunicações, na computação e no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos provocou grandes mudanças no mundo tecnológico.

2.2 Surgimento do Padrão Ethernet No decorrer da década de 1970, paralelo ao desenvolvimento das redes de comunicação entre computadores geograficamente distribuídos que fundamentaram a Internet, desenvolvia-se uma rede de transmissão de dados entre micros que se encontravam em um mesmo ambiente. De acordo com MORIMOTO (2009), o primeiro teste foi feito em 1973 dentro da PARC (laboratório de desenvolvimento da Xerox, em Palo Alto, EUA). O teste deu origem a primeira rede Ethernet, que transmitia dados a 2.94 megabits  através de cabos coaxiais. Até 256 estações de trabalho podiam ser conectadas ao sistema por meio de transceptores presos ao cabo. O nome Ethernet não foi escolhido por acaso para denominar tal forma de transmissão de dados. De acordo com TANENBAUM (2003), o termo “ether”, vem do éter luminífero  - meio pelo qual os físicos do século XIX acreditavam que a radiação eletromagnética se propagava. O termo foi escolhido para enfatizar que o padrão Ethernet não era depende do meio, ou seja, ele podia ser adaptado para transmitir dados através de um cabo coaxial, cabos de fibra ótica e até mesmo pelo ar, no caso das redes wireless . A tecnologia Ethernet continuou se desenvolvendo, sua taxa de transmissão logo passou de 2.94 Mbps para 10Mbps, quando foi adotada pela IEEE ( Institute of Eletrical  22

and Eletronics Engineers )

como padrão 802.3, segundo LOPEZ (2000) em 1988. Caracterizou-se como padrão de rede de uso geral, dando origem às importantes import antes redes locais ou LANs ( Local Area Network ). ). Esse estilo de rede passou a ser amplamente utilizado para interconectar computadores pessoais em áreas geograficamente pequenas, como uma empresa, ou uma universidade, possibilitando o compartilhamento de equipamentos, como impressoras, o que permite melhor aproveitamento de recursos disponíveis em ambientes de trabalho. Outra vantagem é que a rede local era a forma mais barata de conectar todos os micros a Internet, se comparada à forma existente na época onde cada micro tinha por obrigação uma linha telefônica e um modem. A primeira implementação do padrão Ethernet 10 Mbps, denominava-se 10BASE5, sigla que é a junção de 3 informações. O “10” se refere a velocidade de transmissão, 10Mbps, o “BASE” é abreviação de “baseband modulation ”, ”, o que indica que o sinal é transmitido diretamente, de forma digital (sem o uso de modems, como no sistema telefônico), enquanto o “5” indica a distancia máxima que o sinal é capaz de percorrer, nada menos que 500 metros (MORIMOTO, 2009). Essas redes utilizavam cabos thicknet , um tipo de cabo coaxial grosso e pouco flexível e eram montadas na topologia física em barramento, como mostra a Figura 2.2.

Figura 2.2 – Estações conectadas ao meio usando padrão 10Base5.

Logo depois, outras três implementações do Ethernet padrão (10Mbps) surgiram. A rede 10Base5 10Base5 logo deu lugar á 10Base2, que apesar de também utilizar topologia de rede em barramento, possuía cabos coaxiais bem mais finos, que facilitavam o manuseio, sua distancia máxima de transmissão é de 200 metros. A terceira implementação é a 10BaseT, Figura 2.3, que utiliza um hub  - repetidor multiportas, para estabelecer conexão física entre estações formando uma topologia topologia 23

em estrela, e cabos de par trançado, bem mais finos e flexíveis se comparados aos coaxiais. Este padrão ainda é muito utilizado hoje em dia.

Figura 2.3 – Estações conectadas ao meio usando padrão 10BaseT.

A quarta implementação foi a 10BaseFL, que utiliza topologia estrela para conectar as estações a um hub, e cabos de fibra óptica para transmissão de dados. Desde então surgiram novos padrões com velocidades de transmissão maiores como Fast Ethernet  – de 100 Mbps, e o Gigabit Ethernet  – de 1000 Mbps. Logicamente os sistemas de cabeamento foram sucessivamente aprimorados. O Fast Ethernet  é composto por três padrões distintos: o 100BaseTX utiliza cabos de par trançado categoria 5, segundo MORIMOTO (2009) utilizado em mais de 80% das instalações atuais. Nesse protocolo foi mantida a distância máxima de 100 metros, mais foi adicionado o modo full-duplex , onde as estações podem enviar e receber dados simultaneamente (100 megabits  em cada direção), desde que seja usando um switch . O 100BaseT4 com cabos de categoria 3, foi pouco utilizado, de forma que muitas placas de rede sequer oferecem suporte a ele. Por fim, o 100BaseFX com cabo de fibra óptica que possibilitava criar links  com cabos de até 2 km e com possibilidade de atingir distâncias maiores através de repetidores. Por sua vez, o Gigabit Ethernet  é composto por quatro padrões diferentes: 1000BaseLX, suporta apenas fibra óptica e usa uma tecnologia com uso de lasers  ao invés de LEDs, como em outros transmissores de rede para fibra óptica, tornando-a mais cara, em compensação seu alcance pode chegar a 10 km. 1000baseSX também utiliza fibra óptica, mas com uma tecnologia de transmissão derivada da usada em CDROMs, que torna o custo mais baixo. O alcance máximo atingido nesse padrão é 500 metros. 1000BaseCX, utiliza dois pares de cabo de par trançado blindado, mas seu 24

alcance atinge apenas 25 metros. Por fim, o padrão 1000BaseT, que permite usar o cabo de par trançado categoria 5, representando grande economia. economia. Seu alcance continua sendo de 100 metros e os switches  compatíveis com o padrão são capazes de combinar nós de 10, 100 e 1000 megabits sem que os mais lentos atrapalhem os demais. Os três padrões para cabos de par trançado, 10BaseT, 100BaseTX e 1000BaseT, caracterizam-se como os mais importantes entre os padrões Ethernet cabeados, e são os mais utilizados no nosso dia-a-dia. Tradicionalmente, as redes Ethernet operam em modo half-duplex , onde é possível realizar apenas uma transmissão por vez, enviando ou recebendo dados, mas não as duas coisas simultaneamente. Este modo de funcionamento é herança das redes 10Base2 e das redes com hubs burros , onde todas as estações são ligadas ao mesmo cabo e apenas uma pode transmitir de cada vez, com possibilidade de ocorrerem colisões (MORIMOTO, 2009). Quando os dispositivos são interligados numa rede através de um meio em comum, como um cabo longo funcionando como uma espinha dorsal por onde circularão dados de todas as estações conectadas a ela, (topologia em barramento), caracterizando conexões multiponto, é necessário a existência de um protocolo que controle o acesso das estações ao meio. No sistema de transmissão de dados da rede Ethernet padrão de (10 Mbps), o método de acesso ao meio adotado foi o CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple Access  with Collision Detection ) que se trata de um protocolo de acesso múltiplo com vigilância de portador Carrier Sense  e detecção de colisão. Com o uso deste, qualquer estação pode ter acesso ao cabo em qualquer momento, não há prioridade entre as máquinas. Antes de um dos computadores iniciar uma transmissão, inspeciona o cabo para saber se alguém mais já esta transmitindo, em caso afirmativo, ele espera até que o cabo esteja livre para então iniciar sua transmissão, evitando interferências. Caso, dois ou mais micros iniciem a transmitir ao mesmo tempo ocorrerá uma colisão de dados e todos eles param de transmitir, esperam um período de tempo aleatório e tentam a retransmissão. Se ocorrer uma nova colisão, o tempo aleatório de espera é duplicado e as tentativas de transmissão continuam até que uma das estações consiga iniciar sua transmissão ou até que seja excedido o valor limite de tentativas, o que significa que a estação tentou o suficiente e deve desistir de tentar. De acordo com FOROUZAN (2006), o CSMA/CD, utiliza o exponential backoff  method  – método de espera exponencial, onde a estação espera durante um intervalo 25

de tempo entre 0 e 2 N  ×tempo de propagação máxima (tempo de propagação entre as duas estações mais distantes da rede), onde N  é o número de tentativas de transmissão. Noutras palavras a estação irá esperar entre 0 e [2 × (tempo de propagação máxima)] após a primeira colisão, entre 0 e [22× (tempo de propagação máxima)] após a segunda colisão e assim por diante. O valor limite de N é tipicamente 15. Hoje em dia, “Ethernet” é quase sinônimo de rede. Por ser um padrão aberto, qualquer fabricante pode fabricar placas e outros componentes de rede e desenvolver soluções, o que aumenta a concorrência e o volume produzido, derrubando os preços. Dentro do cenário atual, desenvolver padrões proprietários de rede não faz muito sentido, pois além de produzir as placas o fabricante precisaria arcar com todos os custos relacionados ao desenvolvimento e à divulgação da tecnologia (MORIMOTO, 2009). Entre muitas vantagens estão à facilidade de montar, de gerenciar, manter, a capacidade de interconectividade e acesso remoto. Por tudo isso a Ethernet é a tecnologia de rede local (LAN) mais popular e mais utilizada no mundo em aplicações de rede de comunicação comercial, e mais recentemente em aplicações industriais. Ela se encontra disposta nos mais variados ambientes sejam eles educacionais, públicos, residenciais, comerciais, industriais, etc. Deve ser lembrado que as redes Ethernet possuem a importante característica de conexão a Internet. Atentos as novas tendências, muitos fabricantes têm dedicado esforços no desenvolvimento de equipamentos, das mais variadas aplicações, com suporte a rede, e em alguns casos, já são desenvolvidos com a tecnologia Ethernet embarcada em sua estrutura física. De acordo com ALBUQUERQUE (2009), nos últimos anos é crescente o interesse da indústria pela rede Ethernet como uma possível alternativa no chão de fábrica e no controle de processos. As redes industriais de chão de fábrica, fieldbus, surgiram para substituir o sistema até então existente na indústria, conhecido como sistema centralizado ou ponto-a-ponto e com o surgimento dos instrumentos digitais era necessário algo que pudesse interligá-los. O sistema tradicional, existente ainda em muitas indústrias, é formado basicamente por CLPs com suas entradas e saídas ligadas a diversos hardwares  espalhados na fábrica, o que implica em inúmeros cabos, muitas vezes de grande comprimento e na dificuldade de encontrar e diagnosticar defeitos na planta 26

industrial. Com a implementação da rede, um único cabo interliga os elementos de campo. Essas redes proporcionam, menor custo nas implementações devido à menor quantidade de cabos necessária, maior organização nas montagens, ganho de tempo em relação ao encontro e resolução de defeitos no sistema, maior flexibilidade ao processo de controle industrial, permitindo expansões futuras entre outras out ras vantagens. Nesse contexto de custo/benefício, vários protocolos de chão de fábrica foram desenvolvidos e bastante difundidos, como exemplo, PROFIBUS, Devicenet, Fieldbus  Foundation, Modbus , AS-I, e outros. A escolha por utilizar uma destas redes depende da preferência e do conhecimento dos gestores das redes em cada fábrica ou mesmo pela aplicação. O problema é que essas fieldbuses , por serem de fabricantes diferentes, são baseadas em protocolos distintos, tornando os sistemas proprietários e caros. A partir daí, surgiu a necessidade da padronização entre essas redes, e a forma mais difundida para isso era com o padrão TCP/IP, então, essas redes foram adaptadas à tecnologia Ethernet, dando origem a Ethernet industrial. O padrão TCP/IP surgiu no meio industrial há cerca de oito anos, porém apenas nos últimos quatro anos é que se tornou comercialmente utilizado em ambientes industriais (LUGLI, 2010).

2.3 Modelo de Referência OSI (MR-OSI) A grande importância da interconexão dos computadores através de redes de comunicação deu origem a uma necessidade que foi tornando-se evidente à medida que os desenvolvimentos nesse domínio foram acentuando-se: a padronização das redes de comunicação (STEMMER, 2010). Estabelecida em 1947, a International Organization for Standardization (ISO) é um corpo multinacional de pesquisadores/projetistas dedicado à criação de padrões internacionais. Um padrão ISO que cobre todos os aspectos relacionados às redes de comunicação é o modelo Open Systems Interconnection  (OSI). Esse modelo foi apresentado no final da década de 70. Um sistema aberto (open system ) é um conjunto de protocolos que permite a dois sistemas quaisquer se comunicarem não importando as arquiteturas em que eles estão baseados. O propósito do modelo OSI é mostrar como implementar comunicação entre dois sistemas sem requerer modificações lógicas tanto do ponto de vista do hardware  quanto do software . O modelo OSI não é um protocolo; ele é um modelo que auxilia na compreensão e 27

projeto de novas arquiteturas de rede que sejam ao mesmo tempo flexíveis, robustas e interoperáveis (FOROUZAN, 2006). O modelo OSI foi desenvolvido seguindo a filosofia das arquiteturas multicamadas. Os projetistas de rede decidiram organizar os protocolos em camadas devido a uma série de vantagens conceituais e estruturais. Uma das vantagens, por exemplo, é que a modularidade facilita a atualização de componentes do sistema. Desta forma, cada protocolo pertence a uma das camadas e oferece serviços para as camadas adjacentes. Uma camada de protocolo pode ser implementada em software , em hardware ou em uma combinação entre os dois (KUROSE, 2006).

Figura 2.4 – Camadas do modelo de protocolos OSI.

A Figura 2.4 mostra as sete camadas definidas para o modelo, cujos princípios de definição, segundo STEMMER (2010), foram os seguintes: •

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Cada camada corresponde a um nível de abstração necessário no modelo; Cada camada possui suas funções próprias e bem definidas, e foram escolhidas segundo a definição dos protocolos normalizados internacionalmente; A escolha das fronteiras entre as camadas deveria ser definida de modo a minimizar o fluxo de informação nas interfaces; O número de camadas deveria ser suficiente grande para evitar a realização de funções muito diversas por uma mesma camada, e, suficientemente pequeno para evitar uma alta complexidade da arquitetura.

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Levando em consideração a transmissão de um dado, cada camada recebe as informações passada pela camada superior, acrescenta informações de sua responsabilidade e repassa os dados para a camada imediatamente inferior, esse processo é denominado encapsulamento . Quando as informações chegam à camada de Transporte, os dados são divididos em pacotes (conjunto de dados manipulados nas camadas 3 e 4 que carregam informações de endereçamento virtual, como o IP da máquina de destino), os quais serão novamente divididos, agora em vários quadros  (conjunto de dados enviados na rede, associados as camadas 1 e 2, os quadros carregam informações de endereçamento físico, como o endereço real de uma placa de rede) na camada de Enlace. Esse processo é invertido na recepção de um dado.

Figura 2.5 – Funcionamento da comunicação entre as camadas do modelo OSI.

A forma de comunicação de dados entre as camadas do modelo de referência RM-OSI é ilustrada na Figura 2.5. Neste caso, um aplicativo emissor está transmitindo dados a um aplicativo receptor. Tudo se inicia com o envio de dados do emissor, através de um protocolo de comunicação, à camada de aplicação que acrescenta informações de sua competência, um cabeçalho de aplicação, 7, e envia a mensagem resultante à camada de apresentação que, por sua vez, introduz a mensagem recebida o cabeçalho de apresentação, 6. Esse processo continua até a camada física, quando os dados que agora estão na forma de quadros , são enviados pelo cabeamento de rede chegando até a camada física do aplicativo receptor.

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Uma vez no receptor, os diversos cabeçalhos introduzidos por cada uma das camadas de rede do emissor vão sendo interpretadas e eliminadas nas camadas correspondentes do sistema destino até que dados cheguem ao aplicativo emissor. Nas redes baseadas em arquitetura multicamadas, durante o processamento de um dado, que vai passando em cada camada, uma determinada camada não toma conhecimento da existência e significado das informações de cabeçalho introduzidas por outra camada, considerando este como parte dos dados que compõem a mensagem. De acordo com STEMMER (2010), o conceito fundamental da transferência de dados é que cada camada foi projetada como se a comunicação fosse realmente horizontal quando na verdade a transmissão se dá de modo vertical. A comunicação vista na Figura 2.5 é um exemplo de como realmente acontece a transmissão de um dado através de uma rede, denominada comunicação real. Como já informado, as camadas foram desenvolvidas como se a transmissão ocorresse de forma horizontal, ou seja, a comunicação ocorreria entre as diferentes camadas pares (camadas localizadas em sistemas diferentes, mas associadas a um mesmo nível). Nesse sentido, uma determinada camada do emissor comunica-se com a mesma camada do dispositivo receptor. Essa comunicação, denominada virtual, é ilustrada na Figura 2.6.

Figura 2.6 – Comunicação virtual no modelo OSI.

As camadas do modelo OSI podem ser divididas em três grupos: aplicação, transporte e rede, como ilustrado na Figura 2.7. As camadas de rede se preocupam com a transmissão e recepção dos dados através da rede e, portanto, são camadas de baixo nível. A camada de transporte é responsável por pegar os dados recebidos pela 30

rede e repassá-los para as camadas de aplicação de uma forma compreensível, isto é, ela pega os pacotes de dados e transforma-os em dados quase prontos para serem usados pela aplicação. As camadas de aplicação, que são camadas de alto nível, colocam o dado recebido em um padrão que seja compreensível pelo programa (aplicação) que fará uso desse dado.

Figura 2.7 – Grupos das camadas do modelo OSI.

A seguir, encontra-se um resumo de informações sobre as funções de cada uma das camadas, segundo TANENBAUM (2003), do modelo de referencia RM-OSI. •

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Camada Física - responsável pela transmissão de uma cadeia de bits  num determinado meio físico. Deve tratar de todas as especificações físicas do meio de transmissão, como: características elétricas (níveis de tensão a serem usados para representar um bit 1 e um bit 0), mecânicas (tipo de cabeamento; cabeamento; número de pinos no conector de rede), taxa de transmissão (número de bits enviados por segundo), a forma como a conexão inicial será estabelecida e de que maneira ela será encerrada quando os dois lados tiverem terminado de transmitir. Camada de Enlace de dados – sua tarefa é transformar os grupos de dados brutos provenientes da camada física em uma linha que pareça livres de erros (link  confiável), para a camada de rede. Ela também controla o fluxo de dados impedindo que um transmissor rápido envie uma quantidade excessiva de dados a um receptor lento. Com frequência, é necessário um mecanismo que regule o tráfego para informar ao transmissor quanto espaço o buffer do receptor tem no momento.

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Camada de Rede – responsável pelo roteamento de pacotes da origem até o destino, possivelmente viajando entre inúmeras redes, permitindo que redes heterogêneas sejam interconectadas. Camada de Transporte – garante que as mensagens sejam entregues intactas e livres de erros. Essa camada utiliza um método de fragmentação e reagrupamento de pacotes, na transmissão e recepção respectivamente, para evitar que uma mensagem monopolize o link ou o segmento de rede pelo qual trafega. Ao receber dados da camada acima, divide estes em vários segmentos de tamanhos variados, onde cada um possui um número de identificação, repassa essas unidades à camada de rede e assegura que todos os fragmentos cheguem corretamente a outra extremidade. O número de identificação de cada fragmento permite que a camada de transporte do sistema receptor remonte e identifique se a mensagem se encontra realmente intacta. Camada de Sessão – camada que oferece serviços como o controle de diálogo – permitindo que dois dispositivos iniciem um dialogo e controlando quem deve transmitir em cada momento. Sincronização – adicionando pontos de verificação, realizando uma verificação periódica em transmissões longas permitindo que, em caso de falhas, f alhas, elas continuem do ponto onde estavam. Camada de Apresentação – está relacionada á sintaxe e a semântica das informações transmitidas. Diferentes computadores utilizam diferentes sistemas de codificação das informações trocadas, a camada de apresentação é responsável pela interoperabilidade entre os diferentes métodos de codificação. Segundo FOROUZAN (2006), a camada de apresentação no transmissor converte a informação expressa no seu formato próprio numa informação em um formato comum (universal). A camada de apresentação no receptor converte a informação nesse formato universal para o formato f ormato adequado ao receptor. Camada de Aplicação – é o nível mais alto dentre as camadas. Permite aos usuários acesso à rede por conter diversos protocolos de aplicação como, por exemplo, o Protocolo de Transferência de Hiper Texto - HTTP, que constitui a base para a WWW. Quando um navegador deseja uma página Web , ele envia o nome da página desejada ao servidor, utilizando HTTP.

Segundo TANENBAUM (2003), existem vários motivos que levaram aos protocolos associados ao modelo OSI serem raramente usados nos dias de hoje. Entre eles, a tecnologia utilizada era considerada ruim, pois, existem falhas no modelo e nos 32

protocolos. Revela que a escolha das sete camadas foi mais política de que técnica. Enquanto duas das camadas (de sessão e apresentação) estão praticamente vazias, duas outras (enlace de dados e rede) se encontram sobrecarregadas. A arquitetura é muito complexa o que dificulta a implementação enquanto sua operação não é nada eficiente, pois, devido a essa enorme complexidade do modelo e dos protocolos as implementações iniciais eram lentas, pesadas e gigantescas.

2.4 Pilha de Protocolos TCP/IP – Arquitetura da Internet A pilha TCP/IP, como já mencionado no texto acima, é um conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede. Seu nome vem dos protocolos TCP e IP, que são à base da arquitetura da Internet, e foram desenvolvidos bem antes da definição do modelo de referencia OSI. Embora também possa ser visto como modelo desenvolvido em camadas onde cada uma é responsável por um grupo de tarefas, as camadas no modelo da Internet não casam exatamente com as camadas do modelo OSI. O modelo de referencia TCP/IP, como demonstra a Figura 2.8, é constituído de quatro camadas, enquanto o modelo OSI possui sete.

Figura 2.8 – Comparação estrutural em relação às camadas entre os modelos de referencia OSI e TCP/IP.

Enxergar as camadas como fornecedores ou consumidores de serviço é um método de abstração para isolar protocolos de camadas acima dos pequenos detalhes de transmitir bits através, digamos, de ethernet, e a detecção de colisão enquanto as camadas abaixo evitam ter de conhecer os detalhes de todas as aplicações e seus protocolos (WIKIPÉDIA, 29/02/2012). 33

Como pode ser facilmente observado na figura 2.8, geralmente, as três camadas mais acima do modelo OSI (aplicação, apresentação e sessão) são consideradas como uma única camada (aplicação) no modelo TCP/IP. Isso porque o TCP/IP tem uma camada de sessão relativamente leve, consistindo de abrir e fechar conexões sobre TCP e RTP - Real-time Transport Protocol  (transporte) e fornecer diferentes números de portas para diferentes aplicações sobre TCP e UDP - User Datagram Protocol . Se necessário, essas funções podem ser aumentadas por aplicações individuais (ou bibliotecas usadas por essas aplicações). Vejamos um breve resumo das funções reservadas a cada camada no modelo de referencia TCP/IP: •

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Camada de Aplicação – (referente às camadas 5 à 7 da OSI). Camada que a maioria dos programas de rede usa para se comunicar através da rede. A camada define os protocolos de aplicativos TCP/IP que provém serviços que suportam diretamente aplicações do usuário. Dentre as aplicações estão a possibilidade de transferência de arquivos, busca de páginas na web, envio de emails e etc. O pacote relacionado à camada de aplicação é chamado Mensagem ou Dados. Dados. Camada de Transporte – (referente a camada 4 da OSI). Onde é determinado para qual aplicação um dado qualquer é destinado. Camada responsável pela garantia da entrega de dados e da integridade dos mesmos. Entre os protocolos existentes nessa camada os dois mais importantes e mais utilizados são o TCP e o UDP. O TCP (Transmission Control Protocol  – protocolo de controle de transmissão) é um mecanismo de transporte confiável orientado a conexão que garante a entrega de dados ao receptor sem erros e na ordem que foram enviados, controla ainda o fluxo de dados enviados (desacelerando se necessário evitando uma sobrecarga na rede). Já o UDP ( User Datagram  Protocol  – protocolo de datagrama do usuário) é um protocolo sem conexão e não confiável, pois ele não oferece qualquer garantia se os dados alcançaram seu destino ou se chegaram na ordem de envio. Este protocolo é utilizado em uma aplicação em que a entrega imediata é mais importante que a garantia de entrega, como a transmissão de voz e vídeo. O pacote da camada de transporte é chamado Segmento. Segmento. Camada de Internet – (referente à camada 3 da OSI). A tarefa dessa camada é entregar pacotes IP onde for necessário. Ou seja, ela permite que os hosts  34

injetem pacotes em qualquer rede e deve garantir que eles trafeguem independentemente até o destino (talvez em uma rede diferente) (TANENBAUM, 2003). O IP (Internet Protocol – protocolo da Internet) foi projetado para não ser confiável, por isso os pacotes podem chegar ao seu destino em ordem diferentes as que foram enviadas. De acordo com informações colhidas na WIKIPÉDIA (29/02/2012), o protocolo IP pode transmitir dados para diferentes protocolos de níveis mais altos, esses protocolos são identificados por um único número de protocolo IP, IP, alguns destes, como o ICMP - Internet Control  Message Protocol –  protocolo de controle de mensagens (usado para transmitir informação de diagnóstico sobre a transmissão IP) e o IGMP - Internet Group  Management Protocol –  protocolo de gerenciamento de grupo (usado para gerenciar dados multicast ) são colocados acima do IP mas executam funções da camada internet. Isso ilustra uma incompatibilidade entre os modelos da internet e OSI. •

Camada de Rede – (referente ás camadas 1 e 2 do modelo OSI). Essa camada tem a responsabilidade de detalhar o modo como os dados serão enviados fisicamente pela rede, trata das características elétricas e mecânicas do meio, como tipos de conectores e cabos utilizado para estabelecer uma comunicação. Como pode ser observado na Figura 2.8, e informado na WIKIPÉDIA (29/02/2012), a camada de enlace de dados não é realmente parte do modelo TCP/IP, mas é o método usado para passar quadros da camada de internet de um dispositivo para a camada de internet de outro. Esse processo pode ser controlado tanto em software  (device driver ) para a placa de rede quanto em firmware ou chipsets especializados. Esses irão executar as funções da camada de enlace de dados como adicionar um header  (cabeçalho) de pacote para prepará-lo para transmissão, então de fato transmitir o quadro através da camada física. Do outro lado, a camada de enlace irá receber quadros de dados, retirar os headers  adicionados e encaminhar os pacotes recebidos para a camada de internet.

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Tabela 1 – Relação de protocolos da pilha TCP/IP.

Camadas 1 Aplicação 2 Transporte 3 Internet 4 Interface de Rede

Protocolos HTTP, SMTP, FTP, SSH, Telnet, SIP, RDP, IRC, SNMP, NNTP, POP3, IMAP, BitTorrent, DNS, Ping ... TCP, UDP, RTP, SCTP, DCCP ... IP (IPv4, IPv6) , ARP, RARP, ICMP, IPsec ... Ethernet, Token Ring, X.25, RS-232...

Os principais protocolos relacionados a cada uma das camadas do modelo TCP/IP estão apresentados na Tabela 1. De acordo com TANENBAUM (2003), a baixo da camada de internet, encontra-se um grande vácuo. O modelo de referencia TCP/IP não especifica muito bem o que ocorre ali, exceto o fato de que o host  tem de se conectar à rede utilizando algum protocolo para que seja possível enviar pacotes IP. A camada de rede, nesse modelo de 4 camadas, não se caracteriza como uma camada no sentido em que o termo é usado no contexto de protocolos hierarquizados. Trata-se na verdade de uma interface (entre as camadas de rede e de enlace de dados), ou seja, o modelo não faz distinção (nem se quer menciona) diferenças entre as camadas físicas e enlace de dados, as quais tem funções bastante diferenciadas. A camada física, esta relacionada às características físicas da transmissão dos bits , enquanto, a camada de enlace de dados é delimitar o início e o final dos quadros e enviá-los de um lado a outro com o grau de confiabilidade desejado. Por tudo, são várias as bibliografias encontradas que substituem modelo inicial do TCP/IP baseado em 4 níveis: Host  /rede; Inter-rede; Transporte; e Aplicação. E trabalham com um modelo híbrido, com 5 camadas, que retira o excesso do modelo OSI e melhora o modelo TCP/IP: Física; Enlace; Internet; Transporte; e Aplicação. Hoje, a maioria dos sistemas operacionais comerciais incluem e instalam a pilha TCP/IP por padrão. Para a maioria dos usuários, não há nenhuma necessidade de procurar por implementações. O TCP/IP é incluído em todas as versões do Unix e Linux, assim como no Mac OS e no Microsoft Windows (WIKIPÉDIA, 29/02/2012).

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2.5 Microcontroladores Este tópico faz uma breve introdução sobre microcontroladores, em especial os da linha PIC fabricados pela Microchip®, que são largamente utilizados em aplicações didáticas, embarcados em equipamentos eletroeletrônicos, em ambientes industriais, comerciais, residenciais e etc. Em meados da década de 1980, vários componentes externos foram integrados em um mesmo chip, o que resultou em circuitos integrados chamados microcontroladores e na difusão dos sistemas embarcados (WIKIPÉDIA , 02/03/2012). Pode-se dizer que a função básica de um microcontrolador é processar informações a partir de sinais de entrada, provenientes de um botão ou um sensor por exemplo. Com o resultado de todo processamento, o dispositivo libera sinais de saída que ativarão outros dispositivos. Nesse sentido, são dispositivos destinados a sistemas dedicados a tarefas específicas, assim os mesmos podem possuir tamanho, recursos computacionais e custo reduzidos se comparados a computadores normais. Para que esses componentes sejam capazes de desenvolver todo esse gerenciamento lógico, é necessário que informações (informando-o o que deve acontecer quando determinados eventos ocorrerem) sejam estruturadas na forma de um programa e gravada dentro do dispositivo. Esse programa será executado sempre que o microcontrolador for energizado. Uma definição bastante clara desses componentes é feito por MIYADAIRA (2011), que informa que os microcontroladores (µC ou MCU) são pequenos dispositivos dotados de “inteligência”, basicamente constituídos de CPU ( Central  Processing Unit  –  – Unidade Central de Processamento), memória (dados e programas) e periféricos (portas E/S (Entrada/Saída), I2C, SPI, USART etc.). Suas dimensões reduzidas são resultantes da alta capacidade de integração, em que milhões de componentes são inseridos em uma pastilha de silício pela técnica de circuitos integrados (CI’s). Eles estão presentes na maioria dos equipamentos digitais, como celulares, MP3 player , impressoras, robótica, instrumentação, entre outros. Quanto à “inteligência” do componente, podemos associá-la à Unidade Lógica Aritmética (ULA), pois é nessa unidade que todas as operações matemáticas e lógicas são executadas. Quanto mais poderosa a ULA do componente, maior sua capacidade de processar informações (SOUZA, 2007). Como se vê, um microcontrolador é dotado de recursos suficientes – que permitem sua utilização em diversas aplicações – dentro do chip. Nesse aspecto o 37

MCU oferece vantagens sob os microprocessadores, onde para a utilização dos mesmos se faz necessário o uso de memória externa e dispositivos de E/S, em contra partida, esses são dispositivos com funções dedicadas a CPU oferecendo grande poder de processamento e velocidade de execução, utilizados em aplicações complexas e de alto desempenho onde não existem restrições em relação a custo e dimensões físicas do componente. Além de toda performance, de poderem ser utilizados em diversos projetos eletroeletrônicos oferecendo agilidade e controle, os µC’s ainda trazem a característica de baixo consumo de energia, sem falar que geralmente possuem a habilidade de entrar em modo sleep  (modo de espera onde a CPU e os periféricos são desligados), passando a ter um consumo ainda mais baixo. O µC retorna a seu estado normal a partir de uma interrupção ou evento externo, como o acionamento de um botão. De acordo com informações existentes em (WIKIPÉDIA, 02/03/2012), quando em estado normal, o µC tem um consumo na ordem de miliwatts  e em modo sleep  na ordem de nanowatts . Segundo MIYADAIRA (2011), o gerenciamento da energia consumida pelo µC PIC® é indispensável quando o circuito é alimentado por meio de bateria, pois circuitos dessa natureza devem consumir o mínimo de energia a fim de maximizar o tempo de carga da bateria. Os microcontroladores, durante um tempo não tão distante, eram dispositivos de alto custo econômico, o que restringia essa tecnologia a equipamentos mais complexos e mais caros. Com o passar do tempo, devido a vasta gama de aplicações possíveis com o uso desses componentes, passaram a ser produzidos em alta escala o que levou a queda no preço dos chips e a popularização dos mesmos entre sistemas mais simples. Estima-se que brevemente em um lar comum de um país desenvolvido já é possível encontrar mais de 20 microcontroladores nos mais diversos aparelhos. Outra aplicação importante dos microcontroladores é na redução de consumo de recursos naturais, um sistema baseado em microcontrolador pode monitorar o fornecimento de determinado recurso de forma eficiente como é o caso de sistemas de injeção eletrônica bicombustível nos automóveis e a redução do consumo de motores elétricos (FELIPE, 2010). Existem diversos fabricantes de microcontroladores no mercado que se diferem na arquitetura interna, quantidade de memória interna, velocidade de processamento, quantidade de entradas/saídas (I/O) e periféricos. Existem duas arquiteturas de 38

comunicação interna mais usadas entre os µC, a Harvard  e a Von-Neumann . Na Harvard a CPU utiliza barramentos separados para acesso das memórias de programa e dados – aumentando o fluxo de dados. Na Von-Neumann as memórias de programa e dado compartilham o mesmo barramento – limitando o fluxo de dados. A Intel  ®, Motorola  ®, Atmel  ® e a Microchip  ®, são exemplos de fabricantes de microcontroladores. Esta última tem se destacado com sua linha PIC, que abrange desde componentes pequenos com 6 pinos e palavras de instrução de 12 bits até os de 100 pinos com palavras de instrução de 16 bits (SILVA, 2007).

Figura 2.9 – Diagrama simplificado de um µC baseado na arquitetura Harvard.

Como pode ser visto a Figura 2.9 demonstra a arquitetura de comunicação Harvard , tecnologia adotada pela linha PIC de MCUs, onde a CPU faz uso de caminhos diferentes para acessar acessar as memórias. Essa linha é formada por diversas diversas famílias com capacidade de processamento de dados de 8, 16, 24 e 32 bits. Estes foram os primeiros dispositivos com arquitetura RISC (Computador com conjunto de Reduzido e Instruções), cuja simplicidade de projeto permite que mais facilidades sejam adicionadas a um baixo custo. Os programas podem ser guardados nas memórias flash, EEPROM (Electrically Erasable Electrically  Erasable Programmable Read Only Memory ) e OTP (One  Time Programmable ). ). Trabalham com freqüência de até 48Mhz, usando ciclo de instrução mínima de quatro períodos de clock  o que permite velocidade máxima de 10MIPS (Milhões de Instruções Por Segundo) (ZORZIN, 2008).

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Algumas das características de manipulação dos microcontroladores da linha PIC que fazem com que eles se adaptem facilmente em diversas aplicações, estão listadas a seguir: •

Comunicações I 2C, SPI, RS-232, USB;

•

TIMERs e contadores;

•

Manipulação de memória EEPROM externa;

•

Conversores A/D com até 12 bits bit s de resolução;

•

Módulos CCP e ECCP (Capture, Compare e PWM);

•

Módulo Ethernet;

•

Watchdog Timer ;

•

Real Timer Clock ;

•

Manipulação da pilha TCP/IP.

Todos esses recursos disponíveis tornam os MCUs dispositivos de grande potencialidade, podendo ser realmente denominados computadores de tamanho reduzido, os quais permitem o desenvolvimento de hardwares com toda essa tecnologia embarcada. De acordo com a definição de ANDREANI (2007), um sistema embarcado é um sistema de propósito específico em que o computador é completamente encapsulado por um módulo de controle. Diferentemente de um computador de propósito geral, tal como um computador pessoal, um sistema embarcado desempenha tarefas pré-definidas, bastante específicas. Sistemas embarcados podem possuir desde nenhuma interface do utilizador (dedicados somente a uma tarefa) a uma interface completa, similar à dos sistemas operacionais desktop  (em sistemas como PDAs). Sistemas mais simples utilizam botões, LEDs ou telas bastante limitadas, geralmente mostrando somente números ou uma fila pequena de caracteres. O surgimento da World Wide Web  forneceu aos desenvolvedores de sistemas embarcados a possibilidade de fornecer uma interface Web através de uma conexão por rede (WIKIPÉDIA). Como dito por ZANCO (2005), o uso de microcontroladores no desenvolvimento de projetos pode contribuir significamente para o desenvolvimento de nosso país. A formação de mão-de-obra qualificada, em sintonia com as demandas de um mercado, hoje globalizado, é um dos pilares para o desenvolvimento e o crescimento sustentável.

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2.6 Internet Embarcada Atualmente a Internet tem seu emprego em larga escala nos computadores pessoais que dispõem de sistemas operacionais com todo o protocolo embutido em seu kernel , cabendo aos usuários e programadores apenas utilizar esses recursos. Esse sistema é e ainda será por muitos anos o carro-chefe das aplicações da grande rede. Porém, com a evolução dos microcontroladores, uma nova geração de aplicações está se formando, são as aplicações embedded  (embarcadas) para a Internet (MOKARZEL E CARNEIRO, 2004). A internet se apresenta como um verdadeiro e grande leque de possibilidades, permitindo a seus usuários a resolução de problemas e execução de muitas tarefas do dia-a-dia sem precisar sair de casa, além de ser um ambiente de onde se pode obter e divulgar muitas informações se mantendo como uma forte forma de comunicação a qual as pessoas estão familiarizadas. A possibilidade de embarcar toda essa tecnologia  junto à arquitetura de dispositivos eletroeletrônicos traz grande versatilidade e potencialidade na utilização dos mesmos, como o controle e monitoramento via Internet. Diversos equipamentos que utilizamos no dia-a-dia já possuem versões que se conectam a Internet. Internet. Equipamentos como como impressoras, câmeras câmeras entre outros outros dispõe desta facilidade, permitindo configuração, disponibilidade de informações, e controle sob suas operações. Com tudo, pode-se observar que a tecnologia Internet embarcada se caracteriza por possibilitar a conexão de sistemas embarcados à Internet. Os microcontroladores estão entre os principais sistemas embarcados por executar ações como a aquisição e manipulação de dados envolvidos em um processo e o acionamento de atuadores e cargas a partir de sinais de saída. Como exposto por SANTOS (2009), para que um sistema embarcado possa conectar-se à Internet, o mesmo deve possuir os seguintes componentes: •

Pilha TCP/IP para sistemas embarcados;

•

Controlador Ethernet;

•

Interface de rede;

Levando em consideração o uso de um microcontrolador, o mesmo terá que ter condições de manipular uma pilha TCP/IP (nesse caso a desenvolvida para uso em microcontroladores e será gravada em sua memória flash ) para que possa se conectar 41

a rede como se fosse um computador normal, estabelecendo conexão lógica com uma máquina remota em um determinado segmento de rede. Deverá também ser conectado a um controlador de rede (nesse caso um controlador Ethernet) para que os dados que chegam e saem do microcontrolador sejam codificados na forma padrão para manipulação junto à pilha. Um exemplo de controlador externo é o ENC28J60, mostrado na Figura 2.10, fabricado pela Microchip®. Já a interface de rede é essencial para estabelecer conexão física entre o dispositivo e um segmento de rede. Um exemplo de interface de rede é mostrado pela Figura 2.11. Uma vez contendo todos esses requisitos, tal sistema embarcado pode ser considerado um Microservidor Web .

Figura 2.10 – Controlador Ethernet ENC28J60.

Figura 2.11 – Interface de rede 100/10BaseT

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3 FERRAMENTAS UTILIZADAS NO DESENVOLVIMENTO DO PROJETO 3.1 Pilha TCP/IP da Microchip®  A pilha de protocolos TCP/IP para microcontroladores desenvolvida e fornecida gratuitamente pela Microchip®, é similar a pilha pilha TCP/IP utilizada em computadores. Todos os seus protocolos foram desenvolvidos seguindo a documentação referente ao padrão nas RFCs (Requests for Comments  - solicitações de comentários) que são uma série progressiva de relatórios, propostas de protocolos e padrões de protocolos que descrevem os trabalhos internos do padrão TCP/IP e da Internet. Por tudo, a pilha permite a conexão de microcontroladores à Internet como se fossem um microcomputador comum. Muitas implementações TCP/IP seguem o Modelo de Referência TCP/IP. Softwares  baseados nessa referência implementam seus protocolos em camadas, as quais são “empilhadas” umas sobre as outras (daí o nome pilha TCP/IP). T CP/IP). Cada camada acessa os serviços de uma ou mais camadas diretamente abaixo. A Figura 3.1 ilustra uma versão simples do modelo de referência TCP/IP e os serviços do modelo implementado pela Microchip®. A pilha desenvolvida pela Microchip® não implementa todos os módulos que estão normalmente presentes na pilha TCP/IP tradicional. Embora não estejam presentes, podem ser implementados como uma tarefa ou módulo separado, se necessário (MICROCHIP’AN833C, 2008). Esse fato está diretamente relacionado pela pilha ter sido desenvolvida para ser embarcada em microcontroladores, que são dispositivos com espaço limitado de memória se comparados a microcomputadores comuns.

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Figura 3.1 – Comportamento do modelo de referência e protocolos implementados na pilha da microchip.

Na implementação deste projeto, serão utilizados quatro protocolos pertencentes à pilha: Ethernet, IP, TCP e HTTP, cada um pertencente a uma camada do modelo TCP/IP. Os arquivos que formam a pilha são escritos na linguagem de programação ‘C’, destinado aos compiladores C Microchip® C18, C30 e C32, HI-TECH  ® , PICC-18. A pilha TCP/IP da Microchip® foi projetada para aplicações envolvendo apenas a família de microcontroladores PIC18, suportando dispositivos de 8, 16 e 32 bits. Como informado acima, a pilha TCP/IP da Microchip® é dividida em múltiplas camadas. O código de execução de cada camada reside em arquivos separados, enquanto os serviços e API’s ( Application Programming Interfaces –  Interface de Programação de Aplicativos) são definidos através de arquivos header/include . Ao contrário do modelo de referência, a pilha TCP/IP da Microchip® pode acessar diretamente uma ou mais camadas que não se encontram diretamente abaixo dela. A comparação estrutural de acesso as camadas entre o Modelo de Referência TCP/IP e a Pilha TCP/IP da Microchip® está ilustrada na Figura 3.2 . A decisão de quando uma camada deve contornar a adjacente é necessária, e foi feita preliminarmente, devido à quantidade de “overhead” e levando-se em conta se era necessário ou não fazer um processamento “pesado” antes de passar para a próxima camada.

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Figura 3.2 – Comparação estrutural do Modelo de Referência TCP/IP e a Pilha TCP/IP da Microchip. Fonte: MICROCHIP’AN833C, 2008.

Foram adicionados dois novos módulos na implementação da microchip em relação ao modelo tradicional, o Stack Task, que gerencia as operações de todos os módulos da pilha, permitindo acesso a níveis diferentes da pilha dependendo da aplicação, e o ARPTask , que gerencia os serviços do protocolo de resolução de endereços, camada ARP. Esses módulos operam em conjunto sob uma técnica conhecida como cooperative multitasking  (multitarefa cooperativa). Nela, todas as tarefas devem ser executadas compartilhando os recursos do sistema. Assim, as duas camadas operam em conjunto da seguinte maneira, quando uma cumpre seus trabalhos ela gera um sinal de controle para que a outra possa executar os dela. Essa característica permite a pilha trabalhar de forma mais rápida e manter certa independência do programa principal, tornando possível sua utilização em dispositivos com poucos recursos (SANTANA, 2008). Por isso, a pilha TCP/IP da Microchip® é chamada de pilha viva; algumas de suas camadas podem executar operações de forma assíncrona. Tudo isso graças ao cooperativismo multitarefa (onde as tarefas são executadas sequencialmente e de modo independente). O programa principal envia cada tarefa para ser processada e, ao final da sua execução, o controle retorna ao programa principal e só então a próxima tarefa fica apta a ser executada (MICROCHIP’AN833C, 2008).

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Normalmente, cooperativismo multitarefa é implementado pelo sistema operacional ou pela aplicação principal em si. A pilha TCP/IP da Microchip® foi projetada para ser independente de qualquer sistema operacional e, portanto, implementa seu próprio sistema cooperativismo multitarefa. Como resultado, pode ser usado em qualquer sistema, independentemente se ele usa um multitarefa do sistema operacional ou não. No entanto, uma aplicação que utiliza a pilha TCP/IP da Microchip® deve também utilizar o método cooperativo multitarefa. Isso é feito através da divisão de um programa em múltiplas tarefas, ou organizando o programa principal como uma máquina de estados finita (FSM) e dividindo um programa grande em diversos programas pequenos (MICROCHIP’AN833C, 2008).

3.1.1 Servidor HTTP da Microchip®  O servidor HTTP da Microchip é implementado como uma tarefa cooperativa que co-existe com a aplicação principal do usuário e a pilha TCP/IP. A implementação desse servidor é feita no arquivo fonte “HTTP2.c”, com o aplicativo do usuário tendo que implementar duas funções callback , funções que são chamadas automaticamente pelo servidor HTTP e que devem executar alguma tarefa a ser definida pelo usuário (MICROCHIP’AN833C, 2008). Ainda de acordo com MICROCHIP’AN833C (2008), embora este servidor não forneça todas as funcionalidades que um servidor HTTP típico, e sim, implementações mínimas para sistemas embarcados, o usuário, conforme necessário pode adicionar novas funcionalidades. As características principais incorporadas no Servidor HTTP são: •

•

•

Suporte a múltiplas conexões HTTP; Contém seu próprio sistema de arquivos (MPFS – Sistema de Arquivos da Microchip); Suporta programas localizados na memória interna do microcontrolador ou em uma EEPROM externa;

•

Suporta os métodos GET e POST;

•

Suporta a geração de conteúdo dinâmico de páginas web ;

•

Suporta um tipo de CGI (Common Gateway Interface ) para executar funcionalidades pré-definidas a partir de um navegador remoto .

Para integrar o Servidor HTTP a um aplicativo do usuário, a AN833c ( Applied  Note 833c) da Microchip informa que os seguintes passos devem ser seguidos: 46

1. No arquivo "StackTsk.h ", ", deve-se habilitar o código do Servidor HTTP, descomentando a macro STACK_USE_HTTP_SERVER . 2. No arquivo "StackTsk.h ", ", junto a macro MAX_HTTP_CONNECTIONS , deve ser definido o valor máximo de conexões para o Servidor HTTP. 3. Incluir no projeto os arquivos "http.c" e "mpfs.c". 4. Definir onde serão armazenadas as páginas web , se numa EEPROM externa ou na memória Flesh do microcontrolador, através das macros MPFS_USE_PGRM  e MPFS_USE_EEPROM . Caso use memória externa, incluir no projeto o arquivo "Xeeprom.c". 5. Modificar a função f unção main() do aplicativo para incluir o servidor HTTP. O servidor HTTP mantém uma lista dos tipos de arquivos suportáveis. Ele usa essas informações para aconselhar os navegadores sobre como interpretar arquivos específicos, com base nas extensões dos arquivos geralmente formadas por três letras. Por padrão, o Servidor HTTP da Microchip suporta arquivos “. Txt”, “. Htm”, ”. Html”, “. Xml”, “. Css”, “. Cgi”, “. Gif”, “. Png”, “. Cgi”, “. Jpg”, “. Cla” e “. wav”. Se um aplicativo usa tipos de arquivos que não estão inclusos nesta lista, o usuário pode acessar o arquivo “HTTP2.c” e modificar a tabela “ httpFileExtensions ”, ”, juntamente com o “httpContentTypes ”. ”. (MICROCHIP’AN833C, 2008).

3.1.2 Microchip File System 2 (MPFS2) Como já citado, o controle do módulo será realizado a partir do fornecimento de entradas por meio de páginas web , as quais estarão alocadas na memória interna do microservidor ou em uma EEPROM externa. Para tanto, é necessário que essas páginas sejam convertidas para um formato compatível para o armazenamento. O servidor HTTP da Microchip® usa um sistema de arquivos simples (MPFS2 – Microchip File System  - Sistema de Arquivo da Microchip) para armazenar páginas web . O MPFS2 segue um formato especial para armazenar vários arquivos em um meio de armazenamento (MICROCHIP’AN833C, 2008). A Figura 3.3 apresenta essa forma de armazenamento.

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Figura 3.3 – Formato da imagem MPFS2 – Fonte: MICROCHIP’AN833C, 2008.

O comprimento do Reserved Block  – Bloco Reservado, é definido pela macro MPFS_RESERVE_BLOCK. MPFS_RESERVE_BLOCK. O bloco reservado pode ser usado pela aplicação principlal para armazenamento de valores de configuração. O armazenamento MPFS começa com uma ou mais entradas MPFS2 FAT ( File Allocation Table  – Tabela de Alocação de Arquivos), seguido por um ou mais arquivos de dados. A entrada FAT descreve o nome do arquivo, status e sua localização (MICROCHIP’AN833C, 2008). O formato da entrada FAT é mostrado na Figura 3.4.

Figura 3.4 – Formato do FAT de entrada MPFS2 – Fonte: MICROCHIP’AN833C, 2008.

O byte Flag , indica o estado da entrada atual, se está em uso, excluída, ou no final da FAT. Cada entrada do FAT contém 16 ou 24-bit. O comprimento do endereço é determinado pelo tipo de memória utilizado, bem como o modelo de tamanho da memória. Se for usada a memória de programa interna do dispositivo, o projeto é compilado com o modelo de memória menor, é usado o endereço de 16-bits. Se selecionados a memória interna de programação e o modelo de memória maior, é usado o endereço de 24 bits. O esquema de endereço de 16 bits é usado para memória EEPROM externa, independentemente do modelo de tamanho de memória. Isso implica em uma imagem do MPFS2 de no máximo 64 Kb para a memória externa (MICROCHIP’AN833C, 2008). 48

O MPFS2 utiliza um formato “8 + 3” para o nome de arquivos (8 bytes para o nome real do arquivo e 3 bytes para o extensão, extensão, NNNNNNNN.EEE). O endereço de 16 bits dá início ao primeiro bloco de dados do arquivo. Os nomes dos arquivos são armazenados em maiusculo para faciltar a comparação. O campo de endereço em cada entrada FAT contém uma referência para um bloco de dados que contém os dados do arquivo em questão. O formato do bloco de dados pode ser visto na Figura 3.5. O bloco é terminado com um bit de flag especial de 8 bits  chamado EOF (End Of File ), ), seguido do valor FFFF (para endereçamento de 16 bits ) ou FFFFFF (para endereçamento de 24 bits ). ). Se a parte de dados do bloco contém um caractere EOF, o mesmo é preenchido por um caractere de “escape” (BACURAU, 2011).

Figura 3.5 – Formato do bloco de dados (MICROCHIP’AN833C, 2008).

3.2 Microcontrolador PIC18F87J60 Como já mencionado anteriormente, esse trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um módulo microcontrolado com possibilidade de acesso a Internet, caracterizando-se como um microservidor Web . O MCU a ser utilizado deve ser capaz de manipular todos os códigos necessários para disponibilização de dados na rede além de espaço de memória suficiente para armazenamento dos mesmos. A Microchip® disponibilizou em sua linha PIC18, diversas funções adicionais/inovadoras (SILVA, 2007). Como exemplo a possibilidade de conexão a internet. Os modelos dessa linha possuem a capacidade de manipulação da pilha de protocolos TCP/IP, mas, a grande maioria não tem capacidade de conexão direta com a rede Ethernet necessitando do uso de um controlador externo. Outros modelos, como o PIC18F87J60, trazem esse controlador embarcado em seu encapsulamento. encapsulamento. O PIC18F87J60 é construído com base na arquitetura Harvard , que possui barramento de endereço e dados distintos, e com instruções do tipo RISC (Computador com Conjunto Reduzido de Instruções). Possui uma CPU de 8 bits, dotado de 128 Kbytes de memória de programa e 3808 bytes de memória RAM. Pode ser alimentado com tensões entre 2,5V e 3,6V. Esse modelo possui 80 pinos, como mostrado na Figura 3.6, dos quais 55 podem ser configurados como I/O, módulo CCP com até 49

quatro saídas PWM, quinze conversores A/D de 10 bits de resolução, módulo SPI e I²C, comunicação EUSART, em fim, todas as características que a família 18F oferece alem, de um controlador Ethernet como um de seus blocos internos. A estrutura em diagrama de blocos do PIC18F87J60 é mostrado na Figura 3.7. Essa plataforma é ideal para utilização com a pilha TCP/IP para microcontroladores da Microchip, já que tanto a pilha quanto a plataforma são produzidos pela mesma empresa, minimizando assim problemas de incompatibilidade.

Figura 3.6 – Diagrama de pinos do PIC18F87J60. Fonte: MICROCHIP, 2008.

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Figura 3.7 – Diagrama de Blocos do PIC18F87J60. Fonte: MICROCHIP, 2008

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O módulo Ethernet incorporado nesse dispositivo traz uma solução completa de conectividade, incluindo a implementação dos módulos MAC – Controle de Acesso ao Meio, e a camada física (PHY), como ilustrado na Figura 3.8. O módulo Ethernet atende todas as especificações da IEEE 802.3 para o padrão de comunicação 10BaseT que se conecta a rede com o cabo de par trançado. Incorpora uma série de esquemas de filtragem que limitam a entrada de pacotes. Módulo DMA e IP Checksum .

Figura 3.8 – Diagrama de bloco do Módulo Ethernet - Fonte: MICROCHIP, 2008.

Como informado no datasheet  o módulo Ethernet é composto por cinco blocos fundamentais: 1- Módulo PHY que codifica codifica e decodifica os dados analógicos analógicos enviados e recebidos recebidos da rede pelo cabo de par trançado. 2- Módulo MAC que corresponde as implementações IEEE 802.3 e fornece a Interface Independente de Gerenciamento de Mídia (MIIM) para controle da PHY. 3- Buffer da RAM para armazenar pacotes recebidos e pacotes a serem transmitidos com 8 Kbytes de transmissão/recepção. transmissão/recepção. 52

4- Arbiter – árbitro para controlar controlar o acesso ao buffer da memória RAM RAM quanto aos pedidos feitos pelo microcontrolador, DMA, e os blocos receptor (RX) e transmissor (TX). 5- Interface de registro, que funciona como uma uma intérprete de sinais de comandos e status entre o módulo e o microcontrolador SFR. Outra característica bastante importante oferecida por esse dispositivo é que em caso dos 128 Kbytes de memória de programa serem insuficientes, o mesmo implementa um barramento de memória externa. Isso permite o tratamento de um espaço de memória de até 2 Mbytes.

3.3 Especificação de Hardware O PIC18F87J60, dispositivo escolhido pelo presente projeto devido suas características já citadas no texto, possui pequenas dimensões físicas, 12x12x1 mm e distância entre pinos de 0.5 mm como mostrado na Figura 3.9. Sendo, compacto ao ponto de impossibilitar o seu manuseio e montagem de hardware  em uma matriz de contatos ou mesmo em uma placa de circuito impresso convencional.

Figura 3.9 – Dimensões físicas do PIC18F87J60.

Surgia aí a necessidade da pesquisa e obtenção de uma plataforma de baixo custo, fácil acesso e que possuísse as características necessárias para o desenvolvimento do sistema. Seguindo esses critérios foram localizadas algumas opções de hardware  que poderiam servir como base para o projeto, e foi selecionada 53

entre eles a placa PME10A da 2EI mostrada na figura Figura 3.10, por ter um custo acessível e possuir a interface de rede que é essencial para a aplicação.

Figura 3.10 – Interface Ethernet PME10A de 10Mbps

A PME-10A é uma placa microcontrolada (PIC 18F87J60) com interfaces Ethernet 10 Mbps e serial RS-232. Ela pode ser adicionada a qualquer rede Ethernet 10/100 Mbps. Aplicações típicas incluem servidor Web HTTP, conversor de interface RS 232 para Ethernet, conversor de interface RS485 para Ethernet, controle remoto via Web , conexão TCP/IP, correio eletrônico, Agent SNMP, Servidor WAP,etc. (2EI, 2007). Os principais componentes da PME-10A são: 1 - Conector ICSP (In Circuit Serial Programming ): ): Permite a placa PME-10A ser conectada a uma interface de programação para gravação da memória Flash do microcontrolador. 2 - Conector RJ45 (10 BaseT) que atende os requisitos IEEE802.3, possui leds de indicação: Amarelo: Indica que a conexão Ethernet está ativa. Verde: indica que a placa está transmitindo ou recebendo um pacote de dados. 3- Conectores de Expansão: Provê acesso de 53 pinos do microcontrolador PIC18F87J60 para serem usados como E/S. Entradas e saídas digitais estão na faixa de 0 a 3V3. A PME-10A pode ser alimentada diretamente por este conector ( + 3,3V no pino 28 de J1 e GND no pino 1 de J1). 4 - Microcontrolador: PIC18F87J60 com cristal de 25 MHz, 128K de memória Flash , MAC integrado e PHY 10Base-T, 3808 bytes de memória RAM e 55 portas de I/O programáveis. 54

5 - Memória SPI EEPROM 25LC160 de 2Kbytes. 2Kbytes . Para configuração dos parâmetros de rede. 6 - C.I MAX3232 para USART RS232. 7 - Conector Serial RS232: Provê os sinais Tx, Rx e GND para transmissão serial assíncrona proveniente do integrado MAX3232. Como a PME10A é constituída do PIC18F87J60 que suporta a pilha TCP/IP da Microchip que por sua vez oferece suporte para compiladores Microchip C18, o código do dispositivo é compilado pelo MPLAB C18, fornecido gratuitamente através do site oficial da Microchip Technology (www.microchip.com). Segundo MIYADAIRA (2009), o MPLAB C18 é um compilador C destinado aos microcontroladores da família PIC18. Ele possui compatibilidade com o padrão ANSI (American National Standards Institute ) e pode ser facilmente integrado ao MPLAB IDE permitindo depuração em nível de código com o “ software”  MPLAB. Suas principais características são:    

É compatível com o padrão ANSI . Permite misturar códigos C e Assembly  em um único projeto. Permite configurar níveis de otimização otim ização do código. Dispõe de uma vasta biblioteca (PWM, SPI, I 2C, UART, USART etc.).

3.4 MPLAB IDE O MPLAB IDE é um ambiente de desenvolvimento integrado, que permite fácil integração com o compilador MPLAB C18 ou outro tipo de compilador, além de ser uma ferramenta extremamente poderosa, pois ela gerencia o projeto, compila, simula, debuga e em muitos casos grava no chip (MIYADAIRA, 2009). Desenvolvido e fornecido gratuitamente pela Microchip® o MPLAB é executado como um aplicativo de 32 “bits ” no sistema operacional Microsoft Windows , é de fácil utilização e possui um conjunto de ferramentas para desenvolvimento e depuração de forma rápida e ágil de aplicações embarcadas baseadas nos produtos da Microchip® (MICROCHIP, 2008). O ambiente do MPLAB IDE v8.50 utilizado nesse trabalho pode ser visto na Figura 3.11.

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Figura 3.11 – Ambiente de trabalho do MPLAB IDE v8.50

3.5 PROTEUS Para a simulação do projeto foi utilizado software Proteus que é um ambiente de desenvolvimento e simulação de circuitos eletrônicos. É constituído por um conjunto de programas como o ARES, que é uma ferramenta que permite o projeto de placas de circuito impresso. O Proteus permite a simulação de sistemas eletrônicos constituídos de microcontroladores a partir do código desenvolvido e compilado pelo MPLAB. A princípio é possível desenvolver e testar um projeto utilizando o Proteus VSM (Virtual System Modelling ), ), antes mesmo de o protótipo físico estar construído. Isso é possível porque o Proteus VSM simula através de animação em tempo real (ou bem próximo disso) a integração e funcionamento de todos os componentes de um projeto e oferece instrumentos virtuais (Osciloscópio, Multímetro, Analisador lógico, dentre outros) para depuração dos circuitos (SANTOS, 2009). A Figura 3.12 mostra o ambiente de desenvolvimento do Proteus VSM contendo um dos exemplos de circuitos eletrônicos que o mesmo traz em sua biblioteca.

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Figura 3.12 – Ambiente de desenvolvimento do Proteus.

3.6 GRAVADOR PICkit2 O PICkit2, mostrado na figura 3.13, é um depurador/gravador que permite de maneira fácil e rápida, depurar softwares em microcontroladores da linha 10F, 12F, 16F e 18F e DsPic da Microchip. O gravador possui soquete padrão de gravação para PIC’s de 8, 18, 28 e 40 pinos.

Figura 3.13 – Gravador PICkit2. 57

3.7 Ferramentas para o Desenvolvimento de Páginas Web 3.7.1 Dreamweaver Para o desenvolvimento das páginas web do Sistema foi utilizado o software  Dreamweaver  CS3, Figura 3.14, produzido pela Adobe. Segundo BACURAL (2011), o Adobe Dreamweaver , antigo Macromedia Dreamweaver  é um software  de desenvolvimento voltado para a web criado pela Macromedia (adquirida pela Adobe  Systems). Este IDE incorpora um notável suporte para várias tecnologias web , tais como XHTML, CSS, JavaScript, Ajax, PHP, ASP, ASP.NET, JSP, ColdFusion e outras linguagens Server-side .

Figura 3.14 – Tela inicial do Dreamweaver CS3.

Outra funcionalidade do Dreamweaver  é permitir selecionar a maioria dos navegadores para se ter uma previsão ( preview ) da visualização do HTML ou da página diretamente no(s) navegador(es) de destino. O software  possui também ótimas ferramentas de gerenciamento e transferência de projetos tais como a habilidade de encontrar e substituir, no projeto inteiro, linhas de texto ou código através de parâmetros especificados. (BACURAL, 2011).

58

3.6. 3.6.2 Tecnologias para Aplicações Web  O HTML (Hipertext Markup Language – Linguagem de Marcação de Hipertexto ) é a linguagem básica para o desenvolvimento de páginas web . O texto a ser contido na interface deve ser posto entre as tags  (palavras ou caracteres entre sinais de maior e menor, como , >,

,

) adequadas, para fornecer a estrutura correta e desejada à página. É através das tags , que o browser  sabe o formato adequado de exibição da página web , ou seja, elas informam ao navegador qual parte do texto é o titulo, qual parte é um parágrafo, qual merece destaque, onde determinada imagem deve ser inserida entre outras informações. Quando o servidor responde a uma solicitação, ele geralmente envia algum tipo de conteúdo para o navegador, para que esse possa exibi-lo. Os servidores geralmente enviam instruções para o navegador escritas em HTML, que os diz como apresentar o conteúdo ao usuário. Ou seja, o HTML informa ao browser  como exibir o conteúdo ao usuário. (FREEMAN, 2008). Vimos que o HTML é uma linguagem de marcação que especifica o formato de texto exibido em um navegador web , mas o estilo da interface deixa a desejar. Para oferecer melhor apresentação as informações já estruturadas, entra em cena uma tecnologia da W3C denominada Cascading Style Sheets (CSS – folhas de estilo em  cascata), que permite especificar a apresentação dos elementos em uma página web . Como exposto por DEITEL (2003), o desenvolvedor web  pode inserir estilos nas suas páginas de varias maneiras: •

•

•

•

Estilos in-line – onde se declara o formato de um elemento individual utilizando o atributo style. Folhas de Estilo Incorporadas – permitem o autor da página incorporar um documento inteiro de CSS na seção head de um documento HTML. Estilos Conflitantes – como o próprio nome indica, as folhas de estilos estão em cascata, pois, os estilos podem ser definidos pelo usuário, pelo autor ou pelo agente do usuário (por exemplo, um navegador web ). ). Os estilos definidos pelos autores assumem precedência sobre os definidos pelo usuário, e os do usuário sobre os estilos definidos pelo agente do usuário. Folhas de Estilo Externas – as folhas de estilo dão uma maneira conveniente de criar um documento em um tema uniforme. Com as folhas de estilo externas (isto é, documentos separados que contêm somente regras de CSS), os autores de página web  podem fornecer uma aparência e um comportamento uniforme 59

para o site  inteiro. Páginas diferentes em um site  podem utilizar a mesma folha de estilo. Em seguida, quando forem necessárias alterações para o estilo, o autor das páginas web  precisa modificar um único arquivo de CSS para fazer alterações de estilo em todo o site . A utilização desses padrões (HTML, XHTML e CSS), permite o desenvolvimento de páginas simples, com poucos conteúdos gráficos e apenas conteúdos estáticos. Aplicações desenvolvidas a partir desses conceitos trazem a vantagem de uma perfeita integração com qualquer navegador web , além de não exigir profundos conhecimentos do desenvolvedor. No caso do trabalho em questão, que utilizará um navegador web como interface de acesso ao microservidor, a página a ser desenvolvida deve conter características que ofereçam meios para que o usuário tenha controle sob variáveis existentes em hardware , variáveis estas, que mudam seus valores constantemente e que devem ser atualizadas de forma dinâmica ao usuário, oferecendo-lhe acesso as informações de campo em tempo real. Para que uma interface web  ofereça esses tipos de serviços, novas tecnologias (alem do XHTML e do CSS) devem ser incorporadas à página. De acordo com FELIPE (2010), várias são as propostas de inserção de parâmetros de controle e indicadores gráficos em páginas dinâmicas, vejamos algumas dessas tecnologias: •

•

Labview – um software proprietário que oferece inúmeras potencialidades, entre elas a possibilidade de acesso a dispositivos remotos via Internet. Possui uma linguagem de programação combinada com ferramentas gráficas onde o desenvolvedor pode fazer dos instrumentos virtuais já implementados que podem se comunicar com instrumentos reais e podem ficar acessíveis por qualquer navegador web  a partir de um servidor HTTP embutido no próprio LABVIEW . Sistemas desenvolvidos com base nessa tecnologia necessitam da instalação da versão completa do software  em seu servidor, o que envolve elevados custos. Java applets – programa escrito em Java que pode ser inserido em páginas HTML permitindo a interação do usuário com partes gráficas contidas na interface, oferecendo capacidade de controle e monitoramento das diversas variáveis envolvidas de um processo em tempo real. Entre as desvantagens pode-se citar um alto tempo para sua inicialização e baixa velocidade de operação, a necessidade de ter instalada a maquina virtual Java no computador 60

do cliente e uma das principais desvantagens é a variação de funcionalidade de um applet entre diferentes navegadores.

61

4 IMPLEMENTAÇÃO DO PROJETO 4.1 Desenvolvimento do Software  Este capítulo traz informações referentes ao desenvolvimento das páginas web , do funcionamento do servidor HTTP e das implementações junto a pilha TCP/IP para microcontroladores da Microchip.

4.1.1 Desenvolvimento da Página Web  Uma atenção especial deve ser dada na escolha da forma de acesso ao microservidor, visto que é por meio dela que o usuário terá acesso aos dados da aplicação e controle sobre os mesmos. Através da rápida abordagem realizada anteriormente sobre as tecnologias existentes para o desenvolvimento aplicação web  (que caracteriza o cliente na aplicação remota), percebe-se inviabilidades na utilização tanto do software  Labview quanto de programas Java applets . Apesar das duas tecnologias compreenderem os requisitos básicos para uma implementação de controle dinâmico junto ao microservidor, ambas trazem desvantagens como o uso de uma plataforma proprietária onde se faz necessário a instalação de seus softwares no microservidor envolvendo custos no caso do Labview e, a variação de funcionalidade em diferentes navegadores e a necessidade de programas específicos no computador do cliente, com o uso de applets . Características que não condizem com a idéia da implementação de um módulo de controle de baixo custo, com um sistema que funcione independente de plataformas e sem a necessidade de instalação de softwares  adicionais, podendo o acesso ser feito de um computador, telefone móvel ou qualquer outro dispositivo com conexão à Internet. Outra abordagem poderia utilizar mais plenamente as funcionalidades dos navegadores mais recentes, permitindo aplicações em JavaScript e XML ( eXtensible  62

Markup Language ), ),

que dá ao cliente grande flexibilidade em armazenamento, processamento e apresentação dos dados recebidos (FELIPE, 2010). O JavaScript é uma linguagem aberta de scripts , considerada intermediária entre a linguagem Java e a HTML, portanto pode ser usada por desenvolvedores de páginas HTML para tornar suas páginas mais dinâmicas e interativas. O desenvolvimento de páginas HTML dinâmicas é realizado a partir do ‘modelo de objeto’, que permite que os programadores Web  controlem a apresentação de suas páginas e lhes fornece acesso a todos os elementos em sua página Web . A página inteira – elementos, formulários, frames, tabelas, etc. – é representada em uma hierarquia de objetos. Utilizando scripts, o autor é capaz de recuperar e modificar dinamicamente qualquer propriedade ou atributo de uma página (DEITEL E NIETO, 2003). Scripts  podem responder as interações do usuário e alterar a página consequentemente. Isso torna os aplicativos web mais reativos e amigáveis ao usuário, alem de reduzir a carga no servidor executando tarefas localmente junto ao navegador. O AJAX – Assyncronous Javascript and XML, é uma ferramenta que oferece aos desenvolvedores web  soluções na construção de páginas que necessitam de atualizações constantes e de forma dinâmica . De acordo com SANTOS (2009), O principal objetivo do AJAX é melhorar a interatividade do usuário com o servidor, evitando interromper a interação do usuário com a página toda vez que a aplicação necessitar de informações do servidor. Devido essas características, além do AJAX ser atrativo visualmente, o mesmo economiza em recursos de banda já que a transmissão de dados é bem menor, uma vez que as páginas não são recarregadas a cada nova requisição e são páginas que ainda possibilitam a obtenção de informações em tempo real. A aplicação web  desenvolvida para implementação do controle do sistema de iluminação, foi programada com base em HTML e CSS somados a algumas funções de Ajax e Javascript para fornecer maior interatividade ao usuário.

4.1.2 Servidor HTTP A interface de controle e monitoramento do sistema via rede é implementada através de um servidor HTTP embarcado no microcontrolador. Neste projeto foi utilizado o servidor HTTP2 da Microchip .

63

A maioria das requisições ou solicitações que ocorrem na web  entre clientes e servidores é mantida através do protocolo HTTP, que possibilita conversas de solicitação e resposta simples. O cliente envia uma solicitação HTTP e o servidor retorna uma resposta HTTP. Quando o servidor envia uma página HTML ao cliente, o faz usando o protocolo HTTP. O HTTP roda no topo do TCP/IP. O TCP é responsável por garantir que um arquivo enviado de um nó da rede para outro chegue íntegro ao seu destino, ainda que o arquivo esteja dividido em blocos no momento do envio. O IP é o protocolo de sustentação que transfere/roteia os blocos (pacotes) de um host  para outro no seu caminho até o destino. Ou seja, o HTTP é outro protocolo de rede que tem características para web , mas ele depende do TCP/IP para obter solicitações e respostas completas de um lugar para outro. A estrutura de uma conversa HTTP é uma sequência simples de solicitação/resposta; solicitação/resposta; um navegador solicita e um servidor responde (BASHAM, SIERRA e BATES, 2005). O protocolo HTTP possui vários tipos de solicitação, conhecidos como métodos, contudo, os mais usados são o GET e o POST. Esses tipos de solicitação recuperam e enviam dados de um formulário do cliente para o servidor web . A solicitação GET é o método mais simples do HTTP e seu principal trabalho é pedir ao servidor que consiga um recurso. As informações do que se deseja receber do servidor estão anexados ao Localizador Uniforme de Recursos (URL - Uniform  Resource Locators –  que localiza o endereço de um recurso solicitado na web ) exposto na barra de endereços do navegador (na seguinte estrutura: protocolo://máquina/caminho/recurso), e por isso, o total de caracteres que pode ser enviado através do GET é limitado. A Figura 4.1 mostra um exemplo de solicitação via GET ao servidor após do clique em um botão de uma página web.

Figura 4.1 – Solicitação via GET.

Nessa solicitação, as informações que seguem o ? (BTPAGINA=Controle) BTPAGINA=Controle) indicam a entrada especificada pelo usuário. Ou seja, o sinal de interrogação separa o caminho do parâmetro. Segundo NEVES (2008) para o servidor da Microchip estes dados estão limitados até cerca de 80 bytes e os dados enviados via GET são automaticamente decodificados e guardados no array curHTTP.data . A aplicação lida 64

com estes dados na função HTTPExecuteGet . As funções HTTPGetArg  e HTTPGetROMArg fornecem um método fácil de submeter valores para processar. Como informado por DEITEL e NIETO (2003), os dados enviados por uma solicitação POST não fazem parte da URL e não podem ser visto pelo usuário. Os formulários que contêm muitos campos são normalmente enviados através de uma solicitação POST. Os campos que diferenciam letras maiúsculas e minúsculas no formulário, como senhas, normalmente são enviados com esse tipo de solicitação. Não foram desenvolvidas simulações que necessitassem da implementação do método de solicitação POST, mas o módulo pode ser empregado para controle de um sistema em que seja necessário a utilização de tal método. Assim, na solicitação ao microservidor via método POST, segundo NEVES (2008), os dados são submetidos após os cabeçalhos de pedido terem sido enviados. Isto permite que os dados sejam virtualmente ilimitados em questão de tamanho, desde que a aplicação os consiga processar. Mas, a aplicação tem de ser capaz de lidar com a recepção de dados, o que torna este método geralmente mais complexo. Os dados enviados via POST são deixados no buffer  TCP para que a aplicação os possa ir buscar assim que estiver preparada para tal. A função HTTPExecutePost  é chamada repetidamente até que a função retorne HTTP_IO_DONE . A aplicação deve usar as funções TCPFind e TCPGet  para retirar os dados do buffer . Se for retornado HTTP_IO_NEED_DATA o servidor executa novamente a função quando o buffer ficar novamente cheio.

4.1.3 Configuração da Pilha TCP/IP No desenvolvimento do projeto foi utilizado a versão 5.25 da pilha TCP/IP da Microchip. A partir da pilha exemplo iniciou-se o estudo de seu funcionamento e estruturação, com a identificação dos principais arquivos dentre as centenas que formam a pilha. Após esta fase, o próximo passo foi a inserção de dados e códigos relacionados à aplicação pretendida, adaptando assim a pilha exemplo ao projeto. Como já informado, a pilha é composta por diversas camadas e a implementação dessas camadas é realizada em arquivos separados como mostra a Figura 4.2, os quais foram acessados e compatibilizados com a implementação. Os conteúdos dessas camadas são escritos na linguagem C, também utilizada nas modificações. O compilador MPLAB® C18 é responsável pela compilação da pilha modificada.

65

Figura 4.2 – Menu de arquivos que compõem a pilha

Como infirmado por SANTANA (2008), os arquivos que compõem o projeto ficam separados em duas pastas diferentes: Source Files  e Header Files . A pasta Source  Files contém os arquivos de extensão .c, .c, que são os programas propriamente ditos e a pasta Header Files  contém os arquivos de cabeçalho .h, .h, que são arquivos de configuração utilizados em conjunto com os arquivos C. A seguir estão comentados resumidamente alguns dos principais arquivos que formam a pilha da microchip: Onde é realizada toda a configuração física de hardware , como: a definição do nome do projeto; definição do compilador; definição do microcontrolador a ser utilizado; configuração dos módulos do microcontrolador  – Watchdog Timer, osciladores, conversores, etc; et c; frequência de clock  utilizada, configuração dos pinos físicos para conexão de: LEDs, memória EEPROM externa, botões, reles, controlador ethernet externo, caso necessário, display LCD, enfim o mapeamento do hardware em relação aos pinos físicos;

•

HardwareProfile.h  –

•

MainDemo.c  –  –

Onde fica alocada a função principal, e onde são configuradas as portas já habilitadas no arquivo Hardwareprofile.h , com relação as condições de I/O, configurado também os canais analógicos e a inicialização do LCD, se for utilizada na aplicação;

66

•

CustomHTTPApp.c

- Neste arquivo estão contidas as funções de autenticação das páginas, desenvolvidas as aplicações web , definido os métodos de envio (GET ou POST) e onde são implementadas as funções de retorno das variáveis dinâmicas das páginas web exibidas pelo servidor HTTP2;

•

TCPIPConfig.h -  Contem

•

HTTP2.C  -

•

HTTPPrint.h -  Definição

•

StackTsk.c

todas as definições da camada de aplicação da pilha TCP/IP. São definidos: os protocolos usados (ICMP, HTTP, SMTP etc); onde será feito o armazenamento de dados (memória EEPROM ou memória Flash ); ); o sistema de arquivos usado (MPFS ou MPFS2); IP, Máscara, Gateway , DNS e host name; endereço MAC; opções da camada de transporte (TCP e UDP); configurações específicas das aplicações;

Este é o arquivo onde está programado o servidor web  da pilha, nele estão configurados os tipos de arquivo suportados e é onde são feitas as alterações de programação que permitem o uso de páginas para aparelhos celulares. O servidor web responde requisições da Internet através do programa principal pelo uso de duas funções f unções HTTPGetVar e HTTPExecCmd , onde:  HTTPGetVar - função utilizada para enviar valores de variáveis dinâmicas do programa do PIC para o site;  HTTPExecCmd - função utilizada para capturar para dentro do programa  do PIC, variáveis enviadas através de formulários no site  (SANTANA, 2008). das variáveis dinâmicas das páginas web  e chamada das funções de manipulação das mesmas; e StackTsk.h - Coordena a chamada das tarefas da pilha.

4.1.4 Testes Desenvolvidos no Simulador A partir do momento que foram definidas as variáveis dinâmicas a serem observadas e controladas no sistema, foi desenvolvida a página web de acordo com as mesmas. Logo depois foram feitas todas as mudanças e inserção de códigos na pilha necessários para o funcionamento da aplicação pretendida. O passo seguinte foi o desenvolvimento do circuito eletrônico no Proteus- ISIS versão 7.7 referente ao circuito da aplicação real para serem iniciados as simulações de software  e hardware  do sistema. O circuito foi construído conforme apresentado na Figura 4.3.

67

Figura 4.3 – Circuito eletrônico em simulação.

Para a simulação do circuito é necessário a compilação da página web através do programa MPFS e da pilha através do C18 gerando o arquivo hexadecimal a ser carregado no microcontrolador no ambiente de simulação. A Figura 4.4 mostra o Sistema de Arquivos Arquivos da Microchip (MPFS2 - programa gerado junto a instalação da TCPIP Stack v5.25 ), ), responsável por compilar as páginas web . Na maneira que está configurado (opções de processamento – saída: C18/C30 Image ) é gerado um arquivo .c o qual após a compilação do projeto será gravado na memória interna do microcontroador. Este método é mais simples de usar, mas é limitado ao tamanho da memória do microcontrolador.

68

Figura 4.4 – Compilador das páginas web .

Ao ser clicado em ‘ Generate ’,’, será compilada a página carregada no MPFS e surgindo uma nova janela, Figura 4.5, a qual fornece informações como a quantidade de arquivos e de variáveis que página contém e o espaço que a mesma ocupará na memória do PIC.

Figura 4.5 – Informações referentes a página web compilada. 69

Outra possibilidade é a de gravar a página em uma memória EEPROM externa. Nesse caso o programador deverá selecionar a opção de saída ‘ BIN Image’  junto ao MPFS, que gerará um arquivo binário (.bin) – que é a página web  convertida em um formato que o MCU conhece. Este arquivo deverá ser carregado na EEPROM através do mpfsupload , como mostra a Figura 4.6.

Figura 4.6 – Arquivo mpfsupload carregado no navegador.

Ao definir a memória a ser utilizada para a gravação das aplicações web , é necessário informar essa escolha a pilha TCP/IP através do arquivo TCPIPConfig.h por exemplo, se for usada uma EEPROM externa a opção #define MPFS_USE_EEPROM  deve ser descomentada. O projeto utilizado nas simulações difere em alguns aspectos do projeto real da aplicação pelo motivo da inexistência do PIC18F87J60, empregado nesse trabalho, na biblioteca do Proteus. O dispositivo utilizado na simulação foi o PIC18F4620 interligado ao controlador Ethernet externo ENC28J60, como foi mostrado na Figura 4.3.

4.2 Desenvolvimento de Hardware  Devido a tensão de operação do PIC18F87J60 ser de 3,3V, enquanto muitos dos dispositivos usados em circuitos microcontrolados operam com 5 ou 12V, foi necessário montar um circuito de alimentação que inicia a partir de uma simples fonte portátil que fornece 12V DC para o módulo, esta tensão é então rebaixada primeiramente para 5V, através do regulador de tensão L7805, e em seguida para 3,3V, com o regulador LM1117, daí segue-se a alimentação para PME10A (3,3V). 5V e 12V são utilizados no circuito condicionador de sinal de rede e alimentação dos relés respectivamente. A Figura 4.7 mostra o módulo desenvolvido.

70

Figura 4.7 – Módulo montado para o controle de iluminação via web .

Para o acionamento das cargas envolvidas nas implementações que o módulo poderá vir ser conectado, foram montados junto a três saídas do mesmo três reles, e seus respectivos circuitos de funcionamento, um conector RJ12 ligado a interface ICSP da PME10A para que o microcontrolador possa ser programado e conectores de entrada e saída de sinais provenientes da aplicação. Para o exemplo de aplicação do módulo com Ethernet embarcada proposto por esse trabalho – a vigilância e controle de um circuito de iluminação, foi necessário a utilização de um circuito de condicionamento de sinal para que a tensão de rede (220 AC) fosse detectada por uma das entradas do microcontrolador. Os principais componentes deste circuito, ilustrado na Figura 4.8, são o Fotoacoplador PC817 e a ponte de diodos W04.

71

Figura 4.8 – Circuito condicionador de sinal

Este circuito permite que o microcontrolador possa identificar a presença de tensão (220V AC) em um determinado ponto. O optoacoplador é responsável por isolar diferentes partes do circuito. Os reles são responsáveis por liberar ou não a tensão de retorno para o sistema de iluminação. Os estados ( on/off ) dos reles são comandados a partir de sinais lógicos de tensão provenientes do microcontrolador. Quando a iluminação não é acionada pela página e sim localmente, o interruptor acionado envia a tensão de rede para o módulo, nesse momento entra em cena o optoacoplador que isola essa tensão recebida, liberando apenas um sinal lógico para o microcontrolador, que enxerga como sinal de entrada e faz o seu trabalho de gerenciamento gerando um sinal de saída para o circuito do rele que por sua vez libera a tensão de retorno da rede para as luzes. Nesse mesmo tempo a pagina é atualizada e indica que a iluminação esta acionada graças as requisições assíncronas via Ajax ao microservidor. Componentes utilizados para a montagem do hardware : Placa PME10A;  3 reles;  4 diodos 1N4007;  3 transistores BC337 e 1 BC558;  5 LED’s;  1 fotoacoplador PC817; 

72

1 ponte de diodos W04;  2 resistores de 22K, 1 de 220 Ω, 5 de 10K;  1 conector RJ12;  1 conector para fonte de 12V;  1 regulador de tensão L7805 e 1 regulador LM1117;  2 capacitores eletrolíticos de 10 µF e 1 de 100 µF;  3 capacitores cerâmicos de 100 nF;  Conectores de I/O. 

A tabela 2 contem os custos relacionados a implementação do hardware. Tabela 2 – Custo do projeto

Componente

Quantidade

Valor Unitário

Custo

Placa PME10A

1

R$ 113,00

R$ 113,00

Relés

3

R$ 3,00

R$ 9,00

Fotoacoplador PC817

1

R$ 2,50

R$ 2,50

Transistor BC558

1

R$ 3,00

R$ 3,00

Transistor BC337

3

R$ 0,50

R$ 1,50

Placa para montagem

1

R$ 12,00

R$ 12,00

Componentes em geral

-

-

R$ 35,00

Total

R$ 176,00

73

5 FUNCIONAMENTO DO PROJETO PROPOSTO 5.1 Gravação da Página Web e da Pilha TCP/IP no Módulo Uma vez que o módulo se encontre montado, a aplicação web  desenvolvida, a pilha TCP/IP modificada para a aplicação e ambas compiladas, chega o momento da gravação do software em hardware . A gravação é realiza da através do conector RJ12 do módulo que está ligado ao conector ICSP ( In Circuit Serial Programming ), ), que permite a placa PME10A ser conectada a interface de programação PICkit2 para gravação do firmware  na memória Flash  do microcontrolador. A Figura 5.1 mostra a interface de gravação do PICkit2.

Figura 5.1 – Interface de gravação PICkit2.

74

5.2 Funcionamento da Aplicação Web Junto ao Microservidor Os sinais de entrada aplicados no microservidor são provenientes da chegada de requisições pelo navegador geradas pela ação do usuário junto à página web , que geralmente são dotadas de botões e/ou figuras f iguras clicáveis. A responsável pela identificação do estado físico do circuito de iluminação na página web  são figuras de lâmpadas, formatadas como links  de dados, que servirão como meio de inserção de entradas (requisições HTTP via método GET do navegador) ao microservidor através de um clique do mouse  sob a imagem. Estas imagens deverão ser constantemente modificadas, acompanhando o estado real da iluminação em hardware . Tais modificações ocorrerão de forma praticamente instantânea, graças às requisições Ajax ao microservidor que ocorrerão a cada 500ms, modificando dinamicamente a interface web  com as atualizações de campo informadas pelo servidor. De acordo com as informações recebidas, a imagem que integra o corpo da página será substituída por outra que corresponda o estado atual do hardware . Ou seja, levando em consideração que inicialmente o circuito de iluminação ligado ao módulo se encontre desativado (luzes apagadas), a imagem referente a esse circuito na página deve ser correspondente a esse estado (imagem (im agem de uma lâmpada apagada). A partir do momento que o usuário acionar o sistema junto a página, clicando na imagem, requisições vão ser enviadas ao microservidor que irá processá-las e em seguida acionará o circuito correspondente fazendo com que as luzes se ascendam fisicamente. Logo, o servidor deverá retornar informações relacionadas ao estado atual de suas saídas, permitindo a atualização da página (troca da imagem – lâmpada acesa). O texto a seguir descreve de forma mais detalhada o funcionamento da interface web junto ao microsservor. Ao ser dado um clique na imagem, referente a um dos circuitos controlados, denominada “iluminação 1”, será provocada uma solicitação Ajax ao servidor através da chamada da função newAJAXCommand() que carrega os campos ('luzes.cgi?luz=1') e os envia ao servidor via método GET (dados da solicitação são enviados na própria url). Com a utilização da função, ‘ newAJAXCommand()’, vão ocorrer constantes solicitações de envio de dados informados na url ao microservidor. 75

Ao chegar informações diretamente pela url ao servidor, a função HTTPExecuteGET(), localizada no arquivo CustomHTTPApp.c , é chamada automaticamente, onde dados são decodificados e armazenados no vetor curHTTP.data  em pares de nome e seu valor correspondente. As funções HTTPGetArg() e HTTPGetROMArg() podem encontrar facilmente o nome da variável procurada e assim executar a ação necessária de acordo com o seu valor. Ou seja, a função HTTPExecuteGET() identifica através dos parâmetros recebidos via GET, qual arquivo (página web ) e qual o nome ou dado pertencente a tal página foi enviado na requisição, em seguida executa as linhas de códigos referente ao dado recebido, gerando sinais de saída para acionar/desativar o circuito de iluminação correspondente. Se analisarmos os passos seguidos e os resultados adquiridos até o presente momento, observaremos que o usuário acessou a página de controle do sistema embarcada no microservidor, enxergou os dados informados pela interface web , forneceu entradas através da mesma no intuito de modificar o estado atual em hardware, e o servidor levou essas requisições até o microservidor o qual as processou e gerenciou sinais de saída que promoveram uma ação em hardware  segundo as entradas fornecidas pela página de controle via web . Ou seja, apesar das mudanças no meio físico, até então, o usuário da interface não tem informações sobre o ocorrido em hardware após sua ação sob a página. A resposta do microservidor ao navegador, ou seja, a impressão dos dados atuais do hardware na página, se dá a partir da execução da função HTTPPrint(), a mesma se encontra dentro do arquivo CustomHTTPApp.c  da pilha. Mas, para o desenvolvimento de códigos que irão servir de base para o retorno de dados ao cliente, se faz necessário que algumas etapas tenham sido seguidas. Vejamos quais são: No momento da estruturação da página web , que deverá fornecer condições de monitoramento e controle de um dado sistema a partir de um microservidor, o desenvolvedor deve ter em mente toda a relação de variáveis estáticas e dinâmicas a serem alocadas na interface para que a mesma ofereça funcionalidade e dinamismo  junto ao processo. Uma vez feito essas definições, os arquivos referentes a estrutura da página devem ser convertidos para um formato compatível para o armazenamento. Essa compilação é feita pelo Sistema de Arquivos da Microchip  (MPFS2). Na compilação da página web  o programa MPFS2, além de gerar a imagem da interface web , que poderá ser embarcada na memória do microcontrolador ou em uma 76

memória EEPROM externa (depende da maneira que a imagem for criada - .c ou .bin, como já informado no texto), ele também irá gerar automaticamente na pilha o arquivo HTTPPrint.h, que possui as informações de cabeçalho que vão informar a pilha TCP/IP, quais são as funções existentes responsáveis por manipular as variáveis estáticas e/ou dinâmicas da página. Tudo acontece da seguinte maneira: no momento que os arquivos são compilados e a imagem da página web  é gerada, o arquivo HTTPPrint.h  será atualizado automaticamente automaticamente com as variáveis variáveis pertencentes a página. A partir dessas, ele faz chamadas de funções relacionadas às variáveis. Essas funções são desenvolvidas dentro do arquivo CustomHTTPApp.c , onde, a partir de seus códigos, fornecem informações a página sempre que solicitado. Se tratando de variáveis estáticas contidas na interface, o processo de tratamento é relativamente simples, bastando apenas a página ser carregada junto a um navegador web  para que as informações contidas na função HTTPPrint() correspondente a variável forneça seus valores ao cliente. No momento em que passa-se necessário trabalhar com variáveis dinâmicas, ou seja, a existência de campos na interface web que mudem seus valores de acordo com mudanças ocorridas em hardware , outros arquivos, contendo funções específicas, devem ser somados ao projeto da página além das linguagens HTML e CSS, utilizadas na sua estruturação e aparência. Como exemplo, funções de JavaScript , Ajax e XML. As variáveis dinâmicas existentes nas aplicações web , como no caso das lâmpadas, no exemplo que esse trabalho traz, devem ser contidas em um arquivo ‘ .xml’ (neste caso, status.xml), escritas na forma ~luz(1)~, como mostra a Figura 5.2. Através do caractere ~ o microservidor reconhece que se trata de uma variável dinâmica e através da função HTTPPrint() referente à variável, substitui por seu valor atual antes de enviar o arquivo status.xml ao cliente.

Figura 5.2 – Exemplo de variáveis no arquivo status.xml.

Como informado por FELIPE (2010), toda a informação necessária para atualização do estado na página se obtém do arquivo status.xml . Uma vez que a 77

página é carregada por completo se inicia um código Javascript  que realiza o envio de solicitações AJAX do recurso status.xml  através da função newAJAXCommand  como mostrado na Figura 5.3.

Figura 5.3 – Requisição ao arquivo xml.

Essa função chama o arquivo status.xml , onde estão informados os valores atuais das variáveis a serem atualizadas. Chama também a função updateStatus  que é responsável por comparar o valor existente no arquivo .xml com o existente na página naquele momento, promovendo a troca, ou não, da imagem. O ultimo parâmetro ‘ true’ , indica que a solicitação deve ser repetida infinitamente e a cada 500ms, assim como está configurada a função do Javascript, setTimeout . Com a comunicação assíncronas do Ajax, é eliminada a necessidade de atualização da página inteira a cada requisição do usuário, sendo realizado apenas a atualização dos dados necessários, oferecendo mais eficiência na transmissão dos dados e maior interatividade com o usuário.

5.2.1 Funcionamento do Módulo Junto ao Sistema de Iluminação Após a execução de todos os passos, implementações de hardware, software  e gravação dos programas no microservidor do módulo, é então chegado o momento de conectá-lo ao sistema de iluminação e a uma rede de trabalho local ou a internet, como demonstra a Figura 5.4.

Figura 5.4 – Esquemático do módulo conectado a rede e ao sistema de iluminação. 78

A Figura 5.4 esquematiza o sistema embarcado em ação a partir do controle de uma lâmpada (L1). Neste contesto, a chave (CH), que se encontra em seu estado fechado e representa um interruptor, está ligada a fase da rede elétrica e a uma das três entradas do módulo, já a lâmpada, ao neutro da rede e a uma das três saídas do módulo. As linhas vermelhas indicam que as mesmas estão alimentadas pela tensão de fase, a azul que está alimentada por uma tensão de retorno proveniente do módulo, e as linhas pretas representam o neutro. No momento o protótipo só possui três entradas e três saídas, lembrando que a PME10A contida no mesmo, utiliza o PIC18F87J60, que disponibiliza 53 portas de I/O (entrada/saída). Por tanto, mais conectores podem ser incluídos no módulo se assim for necessário. Mesmo com a implantação do módulo, a iluminação do ambiente pode também ser acionada normalmente a partir do interruptor, como exemplificado na Figura 5.4, desde que o operador da página de controle contida no microservidor permita. A Figura 5.5, traz a página de acesso ao controle via web  que esta embarcada no microcontrolador. Uma vez que protótipo esteja conectado a internet, a página contida no mesmo pode ser acessada - através do número de seu endereço IP (Protocolo da Internet), ou ainda através do seu host name (nome dado a página) que é definido dentro do arquivo TCPIPConfig.h  da pilha TCP/IP - de qualquer lugar do mundo por qualquer dispositivo que ofereça acesso a internet e utiliza um navegador web .

Figura 5.5 – Página de acesso ao controle de iluminação via Web 

Devido a tantas facilidades e tantos meios, qualquer pessoa pode ter acesso a página. Por isso mesmo se torna necessário a configuração de um sistema de acesso 79

seguro o qual permite o alcance a aplicação de controle somente a pessoas autorizadas após inserção de login e senha. A configuração de autenticação da página esta contida no arquivo CustomHTTPApp.c , onde ficam as funções HTTPNeedsAuth()  – que informa qual página necessita de autenticação, e a HTTPCheckAuth – que checa a informações inseridas pelo usuário na caixa de login  em senha e compara com os valores configurados na pilha. Caso os dados informados não sejam os corretos a função retorna ao navegador uma mensagem de não autorizado. Após realização das configurações a pilha TCP/IP fará uma requisição de login  e senha toda vez que alguém quiser acessar a página de controle como demonstrado na Figura 5.6.

Figura 5.6 – Requisição de login e senha para acesso a página de controle

Após tal procedimento o usuário estará na página de controle referente a sala definida. A partir dessa interface é possível saber o estado atual da iluminação (luzes acesas ou apagadas), e defini-lo em tempo real. A Figura 5.7, traz as informações de estado da sala (a iluminação da sala é dividida em dois circuitos distintos, relacionados na página como (LED) e (RELÉ) respectivamente), nesse instante o operador percebe que a iluminação referente ao circuito2 está ativada, pois vê a figura de uma lâmpada (RELÉ) acesa. Percebe também que o botão se encontra no estado liberado o que indica que o sistema de iluminação pode ser acionado localmente por qualquer pessoa através do interruptor. Nesse caso a iluminação pode ter sido acionada tanto pela página como localmente.

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Figura 5.7 – Status da sala (luzes acesas e sistema liberado)

Através de um clique sobre o botão o operador da aplicação web deixa o sistema bloqueado o que impede o acionamento da iluminação localmente, o que passa a ser possível somente através da página. Para apagar ou acender as luzes basta um clique sobre a figura da lâmpada, o que corresponde a uma requisição do navegador junto ao microservidor o qual processa a informação e gera um sinal de saída apagando ou acendendo as luzes e envia um sinal de resposta ao navegador que modifica dinamicamente o estado do botão e da luz, como mostrado na Figura 5.8

. Figura 5.8 – Status da sala (circuitos desligados e sistema bloqueado) 81

6 CONCLUSÃO Esse trabalho tratou da implementação de um módulo de baixo custo, microcontrolado com ethernet embarcada com possibilidade de acionamento através da internet. Uma vez conectado a rede mundial, tal sistema possibilita o monitoramento e acionamento de cargas, conectadas ao mesmo, de qualquer lugar do mundo, desde que se tenha acesso a internet e um navegador web . Trouxe ainda como exemplo de aplicação, o controle de um sistema de iluminação o qual proporciona ao operador da página, total liberdade sobre o condicionamento das luzes do ambiente, facilitada pelo desenvolvimento de um aplicativo web  dinâmico que interage com o usuário trazendo informações em tempo real sobre o sistema controlado. Conclui-se também que que o desenvolvimento desenvolvimento desse sistema baseado na tecnologia tecnologia dos microcontroladores, possibilitou a produção de um dispositivo flexível, pois é fácil realizar adaptações no módulo para que o mesmo venha atender as diversas necessidades que se apresentem, maximizando seu poder de conexão a diversos equipamentos e sistemas a baixos custos. Tudo isso se soma ao momento atual onde esta claro que a quantidade de equipamentos com tecnologias de comunicações embarcadas tende a crescer, aumentando o número de dispositivos ligados a internet, portanto um estudo profundo sobre suas estruturas de conectividade é imprescindível para o desenvolvimento da atual e ainda pouco explorada, tecnologia de sistemas microcontrolados com Ethernet embarcada vinculada a automação nos processos de acionamento e monitoramento que regem ambientes industriais e residenciais. Como possibilidade de trabalhos futuros, é proposto um estudo mais profundo sobre a estrutura da pilha TCP/IP, tendo como resultado condições de utilizar todos os seus recursos permitindo aplicações de maior complexidade fazendo uso de sistemas microcontroladores com acesso a rede em aplicações de automação. 82

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