Descrição do Projecto

Com este projecto pretende-se a implementação dum sistema de controlo duma habitação (HCS - automated home control system). Os sistemas HCS estão-se a tornar uma parte integrante de habitações modernas.
O controlo computorizado de alarmes contra intrusão, sistemas de climatização e outras aplicações para habitações é uma característica bem vinda para as casas dum futuro próximo.
Infelizmente, casas construídas antes da revolução dos computadores pessoais, não serão facilmente remodeladas para acomodar as novas cablagens indispensáveis ao controlo remoto de maquinaria.
Como todas as casas têm os normais cabos de fornecimento de energia eléctrica, parece-nos útil projectar um sistema que utilize as já existentes linhas eléctricas para a transmissão de informação.

Objectivos:

O objectivo deste trabalho é construir um modem que funcione na linha eléctrica.

Para isso tivemos que:

Estudar os vários protocolos existentes, entre eles o X10, de forma a criarmos um novo protocolo que seja fiável, seguro, e que minimize as falhas de transmissão provenientes da rede eléctrica.
Estudar os vários problemas da transmissão de dados nas linhas eléctricas.
Projectar um transmissor e um receptor.
Implementar e testar o sistema .
Apresentar um protocolo de comunicação que possibilite a descodificação entre vários emissores e vários receptores sem haver conflito entre eles, e simultaneamente detecte erros de transmissão.
Implementar o protocolo criado, com um microcontrolador de forma a poder facilmente ser convertido para outra qualquer aplicação.

Pretende-se avaliar e compreender este sistema de comunicação (automatização) que, pela nossa pesquisa, descobrimos que já é largamente utilizado nos Estados Unidos e está agora em rápida expanção pela Europa visto trazer várias vantagens sendo a mais importante a utilização das linhas eléctricas (cablagens) já existentes, dispensando assim o custo inerente a novas linhas dedicadas ao sistema de automatização.

Seguem-se as várias fases que percorremos até à aplicação final .

- Procedemos à pesquisa de produtos nesta área, de forma a termos a percepção das características da comunicação através da linha eléctrica. Encontramos vários produtos, a grande maioria comercializáveis na América, e implementados nas habitações cuja rede eléctrica tivesse um valor eficaz de 110 volts Ac e uma frequência de 60 Hz. Aí apercebemo-nos de que não bastava proceder à compra de um qualquer dispositivo deste género, proceder à sua análise a nível de hardware, fazer algumas melhorias e procedermos à sua avaliação de performance para percebermos a capacidade de comunicação através da rede eléctrica, mas sim que tinhamos de enveredar pelo estudo dos protocolos já criados, que características da rede eléctrica nos eram prejudiciais para este projecto e acima de tudo, que tecnologia e que componentes seriam utilizados para este tipo de comunicação.

Para rentabilizarmos o tempo que nos foi destinado para a execução deste projecto, começamos por criar vários projectos de hardware para a criação dum sistema que comunicasse através da rede eléctrica.
Para isso era necessário injectar um qualquer tipo de sinal na linha eléctrica, sem prejudicar aquilo que ela é destinada. Pensámos em injectar uma pequena tensão contínua no instante em que a forma sinusoidal da linha eléctrica fosse a passar pelo zero. Assim, do outro lado (receptor), analizávamos o instante em que ela passava por zero e dependendo da presença ou não do sinal contínuo, tinhamos um nível lógico um ou zero.
Mas logo aí tinhamos uma característica da rede eléctrica a barrar-nos o caminho. Qualquer sinal contínuo que seja inserido na rede eléctrica é abafado por ela. Ou seja , mal tentássemos inserír o sinal, logo era consumido por qualquer dispositivo que a ela estivesse ligado, sendo assim impossível para o nosso receptor analizar qualquer sinal contínuo do outro lado da linha.
Aí tinhamos uma hipótese : Em vez dum sinal contínuo inseriamos uma onda quadrada com uma frequência muito superior à da rede eléctrica (50Hz), quando esta fosse a passar pelo zero. O receptor iria analizar então a presença ou não do sinal com essa frequência e iria detectar um nível lógico 1 ou 0. Foi então que começámos a estudar a teoria inerente à tecnologia de transmissão dos produtos X10. Para isso recorremos à página X10 Technology Transmission Theory En duma das empresas que comercializa produtos X10.
Para o estudo do protocolo em si recorremos ao

Standard and Extended X-10 Code Formats
En zip

também disponibilizado por uma das empresas que comercializa produtos X10.

Depois do protocolo e da tecnologia de transmissão estudados bastava-nos fazer algumas alterações ao protocolo X10 e projectar o hardware para a comunicação através da rede.
Foi nesta etapa que tivemos algumas dificuldades, pois não conseguimos nenhuma indicação sobre o hardware a utilizar.
Apenas tinhamos um bom artigo da revista Electror(®) n.º 119 de Novembro de 1994 que indicava um circuito integrado NE5050N ( da Philips® /Signetics® ) capaz de fazer a modulação e desmodelação dos sinais digitais, especialmente fabricado para sistemas de controlo através da rede eléctrica.
Este integrado modula em amplitude (ASK - Amplitude Shift Keying) uma frequência portadora. A máxima amplitude da portadora representa um nível lógico alto e zero de amplitude significa nível baixo.
Depois de várias pesquisas não encontrámos qualquer outra referência acerca deste integrado, mesmo no site da Philips®, pelo que não nos interessava apenas montar o circuito que vinha descrito na Elector®, modificando-o para utilizar um microcontrolador, visto ficarmos sem perceber para que é que serviam os componentes externos do NE5050N e sequer como é que este modem (NE5050N) funcionava.

Restava-nos voltar aos produtos X10, e ao hardware que estes utilizavam . As informações sobre componentes utilizados não eram muitos, e sem essas informações não podiamos prosseguir o projecto de sistema de comunicação através da rede eléctrica, pois era preciso dimensionar um qualquer circuito que inserisse uma moduladora na rede eléctrica servindo a própria rede eléctrica como portadora e posterior filtragem da frequência da rede eléctrica para se obter então a frequência que tinha sido lá metida de forma a detectarmos um nível lógico um ou então um nível lógico zero. No artigo da Elector era utilizado um transformador de pulsos para a inserção e posterior recepção do sinal modulado, mas não tinhamos qualquer ideia como é que este transformador funcionava.

Encontramos uma Technical Note, onde era descrita a operação de dois interfaces de comunicação através da linha eléctrica ( PL513 e TW523 ), e onde nos era dado um esquema completo, no entanto era dimensionado para uma linha de 110 Volts e 60 Hz, e não se conseguia distinguir com precisão os componentes utilizados.

Technical Note
The X-10 POWERHOUSE
Power Line Interface Model #PL513
and Two-Way Power Line Interface Model #TW523
En pdf

Depois duma procura exaustiva, descobrimos o integrado LM1893 Carrier-Current Transceiver da National® que fazia exactamente aquilo que pretendíamos. Este integrado, tem um sistema de portadora de corrente, dimensionado precisamente para uma utilização nas aplicações de comunicação através da rede eléctrica. Faz um interface serial 'half duplex' (bi-directional) de comunicação.
Para a emissão, uma portadora sinusoidal é modulada em frequência (FSK - Frequency Shift Keying ) e inserida na linha eléctrica através de um robusto driver integrado no CI. Para a recepção, um desmolador baseado num sistema PLL (Phase Locked Loop), descodifica o sinal aliado a um filtro supressor de ruido. Para mais informações sobre este integrado e transmissão através da rede eléctrica recomendamos vivamente a leitura da sua DataSheet.

LM1893 / LM2893 Carrier-Current Transceiver
En pdf

Neste DataSheet é apresentado um esquema geral para o interface assim como são explicados todos os pormenores da transmissão através da rede eléctrica e a função dos vários componentes externos utilizados.
De seguida encontrámos outro integrado, o ST7537HS1 - Home Automation Modem da SGS-THOMSON MicroElectronics®. As suas principais características são :

Half Duplex Asynchronous 2400 bps FSK Modem.
Sintetização da frequência do Tx por um cristal externo.
Baixa distorção no sinal Tx.
Sensibilidade do sinal Rx maior que 1mV rms.
Detecção da portadora.
Entrada de Watch Dog.
Saídas de Reset e Clock para interface com um microcontrolador.
Compatível com a norma CENELEC EN 50065-1 e especificações FCC.
Esquema de aplicação simples e económico.
Frequência portadora de 132.45Khz.

O que o torna ideal para o nosso projecto de comunicação através da rede eléctrica. O esquema de interface é extremamente simples e utiliza componentes baratos o que dá a possibilidade de reduzir ao máximo os custos inerentes a uma aplicação final.

ST7537HS1 - Home Automation Modem
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O hardware para o interface estava escolhido.
Restava-nos então, depois duma análise exaustiva do esquema apresentado, proceder à sua montagem e prosseguir para a criação do protocolo de comunicação .
No entanto, tornava-se difícil encontrar os componentes ST7537HS1, e o transformador de pulsos TOKO® T1002 N aqui em Portugal.
Para isso, recorreu-se a uma empresa sueca - a H.T.H. que disponibilizava todos estes componentes e uma placa de circuito impresso com o esquema. Compraram-se dois PLM-24( Power Line Modem - 24 , o nome que a HTH® chama a este interface ), e procedeu-se à disposição dos componentes na placa de circuito impresso.

PLM-24 Power Line Modem
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High Tech Horizon (HomePage)

Depois de verificada a soldadura e toda a disposição dos componentes, procedeu-se à sua ligação.
O Power Line Modem funcionou à primeira . Ligando um gerador de sinais com uma onda quadrada a um dos power line modem funcionando como emissor, conseguiu-se num outro power line modem, funcionando como receptor, visualizar também um sinal quadrado com a mesma frequência da do sinal injectado na entrada Tx do primeiro, na saída Rx do segundo power line modem.
Restava então agora interligar o power line modem ao microcontrolador ( 80535 - família do 8051) e procedermos à criação dum protocolo que distinguisse os vários emissores e receptores na linha e tivesse uma detecção de erros de transmissão.
Numa aula seguinte, quando íamos testar o PLM com o microcontrolador, optamos por primeiro testá-lo outra vez com o gerador de sinais, e para nosso espanto, não funcionou.
Depois de algumas aulas a analisar todo o circuito, todas as soldaduras, todos os componentes. descobrimos que era um dos ST7537HS1 que não estava a funcionar correctamente. Substituimos por outro e imediatamente funcionou.
Tentámos descobrir o que levou ao mau funcionamento de um dos ST7537HS1 e a única explicação possível é que, sendo um componente em PLCC - Plastic Chip Carrier bastante sensível, se tenha deteriorado pela não precaução das descargas electrostáticas, numa descarga através do ferro do soldar, quando se soldaram novos conectores, por exemplo .

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