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Redes de DISPOSITIVOS LONWORKS Prof. Ralf Moura, MSc PMP, PRINCE2, COBIT, CTAL-TM, IS20F, ISFS, ITIL, MOF, CTFL, CPRE-FL, CCF, CI-SCS, MCP • A LonWorks (Local Operating Network) foi criado pela Echelon Corporation na década de 1990; • A LonWorks fornece uma plataforma para comunicação entre dispositivos industriais. Porém é também aplicada a automação predial; • O LonWorks implementa uma rede de dispositivos com a capacidade de comunicação entre eles, não necessitando de um dispositivo mestre para efetuar a comunicação. • Cada dispositivo tem a capacidade de tomar decisões e se deve ou não enviar informação para a rede. (Acesso ao meio descentralizado) • O LonWorks elegeu como o seu protocolo o LonTalk. • Este protocolo usa pacotes e suporta ligações ponto a ponto; • O LonTalk é um protocolo publicado como norma EIA e segue o modelo OSI. Introdução • A Echelon Corporation, baseada em Palo Alto, Califórnia foi fundada em 1988 pela Apple Computer e ROLM Corporation (A.C. Markkula and M.Kenneth Oshman, respectivamente). Echelon Corporation Redes LONWORKS trabalha com vários tipos de dispositivos Dispositivos • Em 1999 o protocolo de comunicações (conhecido então como LonTalk) foi submetido ao ANSI e este aceitou-o como um padrão para redes de controle (ANSI/CEA-709.1-B). • A comunicação sobre rede elétrica da empresa Echelon e sobre o par trançado que sinalizam a tecnologia também foram submetidos ao ANSI para a homologação e foram aceitos. • Desde então, ANSI/CEA-709.1 foi aceito como a base para sistemas de freios Eletropneumáticos para trens sob o numero de IEEE 1473-L , IFSF (controle europeu da estação de petróleo) e em 2005 como EN 14908 (padrão europeu da automatização de edifícios). • O protocolo é também uma derivação do padrão de BACnet ASHRAE/ANSI para a automatização de edifícios. Introdução • De acordo com estatísticas da Echelon Corporation, já existem aproximadamente 60 milhões de dispositivos instalados com a tecnologia Lonworks (não oficial). • Os fabricantes de uma variedade de áreas incluindo construção civil, transportes, utilidades, automação industrial, adotaram o LonWorks como padrão. Introdução • A tecnologia LonWorks possui um protocolo chamado LonTalk que implementa as sete camadas do modelo OSI - Modelo de Referência para Interconexão de Sistemas abertos e possui mecanismos que impedem a modificação acidental ou intencional de dados. • Inclui ainda, outras características tais como: funções de reconhecimento, comunicação, prioridade na transmissão, detecção de mensagens duplicadas, evitam colisões, retransmissão automática, detecção e correção de erros, padronização e identificação do tipo de dados. • O protocolo prevê vários tipos de camadas físicas, por exemplo, as redes dedicadas por par trançado, fibra ótica e comunicação por linha de energia. Visão Geral • A plataforma de Lonworks usa um padrão de tunelamento de IP— ANSI/CEA-852—para interligar dispositivos Lonworks a redes TCP/IP existentes e permitir a integração do Lonworks a rede TCP/IP e a internet. • É um protocolo aberto que permite a qualquer companhia colocá-lo no processador que deseja. Visão Geral • O protocolo Lontalk®, a base da comunicação em rede da tecnologia Lonworks, implementado sobre o modelo de referência OSI, trabalha com variáveis de rede endereçáveis, chamadas SNVT’s (Standard Network Variable Types) que são padronizadas por uma organização de nome LonMark, encarregada de fazer a auditoria dos produtos dos fabricantes de dispositivos que incluem a tecnologia embutida e querem ter esses produtos credenciados como interoperáveis. Visão Geral • Os principais elementos do LONWORKS são: • Protocolo LONTalk (Implementado em um processador dedicado chamado NeuronChip); • Utilização de transceptores; • Administração e Software de aplicações. Arquitetura • Foi projetado para aplicações que envolvem sensoriamento, monitoração, controle e funções de identificação. • É baseado no modelo de referência OSI e implementa todas as 7 camadas previstas pela ISO. Protocolo LonTalk • A maioria dos nós LON instalados estão em aplicações de automação predial e residencial. • Existem estações baseadas no NeuronChip para: • controle de lâmpadas e eletrodomésticos; • termostatos e sistemas HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning, ou calefação, ventilação e ar condicionado); • sensores de presença e segurança em geral; • sensores de luminosidade ambiente; • equipamentos de áudio e vídeo (por exemplo, Home Theaters); • gerenciamento de energia; • controle otimizado de elevadores; • subsistemas de água e gás (válvulas, sensores de nível e outros componentes), etc. Características gerais Topologias T T T T T T T T Arquitetura Conexão física Acesso ao meio Endereçamento e Roteamento Serviço de mensagem Gerenciamento de Rede Variáveis de Rede Programa Neuron C Meio Físico 7 Aplicação 6 Apresentação 5 Sessão 4 Transporte 3 Rede 2 Enlace de Dados 1 Física Funcionamento Os circuitos comunicam entre si enviando telegramas que contêm a direção do destinatário, informação para o routing, dados de controle assim como os dados da aplicação do utilizador e um checklist como código detector de erros. Todas as comunicações de dados são iniciadas num Neuron Chip. Neuron Chip • O Neuron Chip é um circuito integrado VLSI que possui: • três processadores de 8 bits - dois deles especialmente criados para a execução do protocolo LonTalk, cabendo ao terceiro as aplicações do nó; • memórias EEPROM, RAM e ROM; • um transdutor para ligação ao meio físico de comunicação; • hardware e software para construir dispositivos de controlo; • 11 pinos de I/O; • firmware LonWorks, incluindo o protocolo LonTalk e um sistema operacional de tempo real. Neuron Chip • Tem um identificador único, o Neuron ID, que permite direccionar qualquer nodo de forma unívoca dentro de uma rede de controlo LonWorks. Este identificador, com 48 bits, é gravado na memória EEPROM durante o fabrico do circuito. • Tem um modelo de comunicação que é independente do meio físico sobre o qual funciona, isto é, os dados podem transmitir-se sobre cabos de pares do tipo telefonico, correntes portadoras, fibra óptica, radiofrequência, infravermelhos e cabo coaxial, entre outros. • O firmware que implementa o protocolo LonTalk, proporciona serviços de transporte e routing extremo a extremo. Está incluído um sistema operacional que executa e planifica a aplicação distribuída e que maneja as estruturas de dados que são comunicadas pelos nodos. • Quando baseada em rede dedicada, opera em 78kbit/s usando Manchester diferencial • Existem transceivers para vários meios de comunicação e diferentes topologias de rede: • FTT-10: meio tipo par trançado, taxa de transmissão de 78Kbps, suporta 127 nós em um barramento de até 2700m ou segmentos de até 500m com topologia estrela ou anel; Camada Física • LPT-10: meio tipo par trançado, taxa de transmissão de 78kbps, suporta opcionalmente 32 nós com consumo de 100mA ou 64 nós com consumo de até 50mA, ou 128 nós com consumo de 25mA cada. Barramento de 2200m ou segmentos de até 500m em estrla ou anel. (Alimentação e dados no mesmo grupo de fios). • TPT/XF-78: par trançado, taxa de 78Kbps, barramento com 2000m e 64 nós; • TPT/XF-1250: Semelhante ao anterior, mas com taxa de transmissão de 1,25Mbps para distâncias de até 500m. Camada Física • PLT-10A: utiliza como meio físico a própria rede elétrica da casa ou prédio por meio da tecnologia spread spectrum; • Spead Spectrum é uma técnica de transmissão de dados utilizadasem sistemas com elevados níveis de interferência, operando na faixa de freqüência de 100KHz até 450KHz com taxas de transmissão de até 5,4Kbps. Camada Física • PLT-20: Idem ao anterior, porém com frequência de 125KHz a 140KHz com taxa de transmissão de 5,4Kbps. • PLT-30: idem aos anteriores, mas com frequências de 9 a 95KHz e taxa de 2Kbps. • RF-300: usa sinais de radio frequência de 300MHz e taxa de transmissão de 1200bps (redes sem fio); • RF-450: idem ao anterior com 450MHz e taxa de 4800bps; • RF-900: idem ao anterior com 900MHz e taxa de 39Kbps; • IR: usa sinais em infravermelho, com taxa de 78Kbps; • Fibra ótica: taxa de 1,25Mbps; • Cabo Coaxial: taxa de 1,25Mbps. Camada Física • Na subcamada MAC é utilizado o protocolo CSMA preditivo p-persistente com detecção de colisão e atribuição de prioridade às mensagens; • Este protocolo é preditivo, ou seja, prevê o tráfego de rede; • Algoritmo de predição de colisão que permite a um canal elevar sua capacidade ao máximo; • A camada LLC suporta somente serviços sem conexão e oferece funções de enquadramento e checagem com CRC; Camada de Enlace • O acesso ao canal implementado por este protocolo é o CSMA p – persistente preditivo. • Como é típico neste tipo de acesso, utilizam-se slots, ou seja, os nós só tentam transmitir num determinado slot reduzindo desta forma a probabilidade de colisão. • Em carga reduzida são utilizados 16 slots, originando atrasos superiores no acesso. • Quando a carga é elevada utilizam-se 16*n slot s, originando atrasos menores no acesso e diminuindo a probabilidade de colisão. • O valor de n é permanentemente atualizado, o nó que transmite indica quantas respostas ou confirmações espera, assim os nós de recepção incrementam n e no fim de cada ciclo decrementam n. Camada de Enlace • O protocolo permite estabelecer prioridades ao nível do nó, ou seja, todas as mensagens que saem desse nó tem a mesma prioridade. • Podem existir casos de exceção em que as mensagens têm outra prioridade. • A prioridade varia entre 0 e 127, cada uma destas só pode ser atribuída a um nó por canal. • Normalmente reserva-se a prioridade 1 para o nó de gestão de rede. Camada de Enlace • LonWorks oferece uma série de elementos de interconexão de sub-redes LON, incluindo roteadores (Por exemplo; RTR-10) e pontes; •Uma rede LON pode ser composta por várias sub- redes com meios físicos diversos com até 32385 nós. Camada de Rede Camada de Rede i.LON 100 i.LON 1000 i.LON 10 • De modo a conseguir uma rápida implantação deste protocolo no mercado, a empresa responsável pelo desenvolvimento deste (Echelon) concebeu um microprocessador específico designado por Neuron Chip. • Este microprocessador implementa em "firmware" o protocolo de comunicação, o que evita a necessidade de desenvolvimentos ou programação nesta área a quem queira desenvolver dispositivos para este tipo de redes. • O Neuron Chip providencia as seis primeiras camadas do modelo OSI, bastando para isso desenvolver a camada de aplicação, o que obriga a uma normalização dos dispositivos de diferentes fabricantes e permite um desenvolvimento mais fácil e rápido de aplicações. Camadas Superiores • O Neuron Chip é basicamente um sistema num integrado, visto que este é constituído por 3 microprocessadores, memória RAM (Random Access Memory) e ROM (Read Only Memory), módulo de comunicação e portas de entrada e saída. • A memória ROM contém um sistema operacional, o protocolo de comunicação LonTalk e funções de acesso às portas. Camadas Superiores • Acknowledged (ACKD): define que a mensagem enviada para um nó ou para um grupo de nós irá receber obrigatoriamente uma confirmação de cada um dos nós intervenientes. • Se por alguma razão uma das confirmações não chegar ao nó emissor, este ao fim de um tempo de espera repetirá a mensagem. • Este procedimento efetua-se um determinado número de vezes. O LonTalk permite que o tempo de espera e o número de repetições seja configurado. • Request/response (REQUEST): funciona de forma análoga ao anterior exceto que em vez de ficar à espera de confirmações fica à espera de respostas dos nós. • Unacknowledged repeated (UNACK_RPT): é utilizado quando se pretende enviar mensagens para um grande grupo de nós. • Se esta mensagem obrigasse os nós receptores a enviar uma resposta isso poderia saturar a rede. • A mensagem é enviada um número definido de vezes, aumentando assim as probabilidades de todos os nós receberem a mensagem; • Unacknowledged (UNACK): Envia uma única vez a mensagem e não fica à espera de confirmação nem de resposta da parte do receptor. Tipos de Mensagens Tipos de Mensagens • O protocolo LonTalk providencia um serviço de autenticação de mensagens. • Este serviço é útil para prevenir o acesso de nós não autorizados. • Este serviço de autenticação é definido por uma chave de 48bits definida nos nós no momento da instalação dos mesmos. • O serviço processa-se da seguinte forma: • o emissor ao enviar uma mensagem autenticada é desafiado pelo receptor a responder a um desafio. • O emissor processa esse desafio e encaminha-o para o receptor. • Por sua vez este processa o desafio feito e compara-o com a resposta do desafio. • Se a resposta do desafio estiver correta o receptor processa o pedido, caso contrário ignora-o. Camadas Superiores - Segurança • É uma parte formal do protocolo LonTalk que permite apoio a serviços de administração; • Define uma forma hierárquica de gerência; • Os nós respondem a solicitações de dados para gerenciamento; • ICELAN-G é um exemplo de software de administração de rede gráfico para apoiar produtos LONWORKS. Camadas Superiores - Administração de cadeia • www.lonmark.org • www.echelon.com • Redes Industriais Aplicações em Sistemas Digitais de Controle Distibuído. – Pedro Urbano Braga e Alburqueque (ISBN: 978-85-99823-11-8) • Sistemas Distribuídos e Redes de computadores para controle e Automação Industrial – Prof. Dr. Marcelo Ricardo Stemmer. Bibliografia LONWORKS
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