Projeto Lógico

Para projetar a lógica de programação, foi necessário conhecer os protocolos de comunicação. Na comunicação do controlador com a estação meteorológica foi adotado o protocolo criado pelo fabricante da estação, que segue na Tabela 10 e Tabela 11. O funcionamento se dá através do envio de um grupo de caracteres “#status$”, que ao receber este comando a estação meteorológica envia um grupo de caracteres “#status00;00;00;00$”, onde da esquerda para direita os caracteres 8 e 9 é a temperatura mensurada, os caracteres 11 e 12 é a umidade relativa do ar mensurada e os caracteres 17 e 18 é o status de chuva (06 – não está chovendo/15 – está chovendo).

Tabela 10 - Protocolo de comunicação do controlador para a estação meteorológica

Comando Função

#status$ Enviar todos os valores mensuráveis instantâneos

Fonte: Própria autoria.

Tabela 11 - Protocolo de comunicação da estação meteorológica para o controlador

Comando Função

Caracteres 8 e 9 Temperatura Caracteres 11 e 12 Umidade relativa do ar Caracteres 17 e 18 Status de chuva

Fonte: Própria autoria.

Na comunicação entre o controlador e o smartphone, foram criados protocolos de acordo com a Tabela 12 e Tabela 13. Através destes, na Tabela 12 o smartphone envia os caracteres de A a F, de acordo com o botão nele pressionado, para que o controlados interprete-o e exerça a função pré-determinada. Na Tabela 13 o controlador faz a leitura de todos os sensores nele conectados, filtra os valores e monta uma grupo de 11 caracteres, que é “00000000000”, onde da esquerda para direita os caracteres 1 e 2 são a temperatura e os 3 e 4 são a umidade relativa do ar externo, os caracteres 5 e 6 são a temperatura e os 7 e 8 são a umidade relativa do ar interno e os caracteres 9, 10 e 11 são o status da iluminação externa, interna e janelas, respectivamente.

Tabela 12 - Protocolo de comunicação do smartphone para o controlador

Comando Função

A Ligar iluminação externa B Desligar iluminação interna

Comando Função

C Ligar iluminação interna D Desligar iluminação externa

E Abrir janelas

F Fechar janelas

Fonte: Própria autoria.

Tabela 13 - Protocolo de comunicação do controlador para o smartphone

Comando Função

Caracteres 1 e 2 Temperatura externa Caracteres 3 e 4 Umidade relativa do ar interna Caracteres 5 e 6 Temperatura externa Caracteres 7 e 8 Umidade relativa do ar interna

Caractere 9 Status iluminação externa Caractere 10 Status iluminação externa

Caractere 11 Status janelas

Fonte: Própria autoria.

Após a definição dos protocolos de comunicação foi definido a sequência lógica de programação tanto do controlador quanto do smartphone. Para expressar de maneira gráfica são utilizados fluxogramas lógicos de programação da Figura 51. Na (Figura 51a) está a lógica para o controlador que inicia com a leitura dos valores mensuráveis da estação meteorológica onde o controlador usará os protocolos de comunicação, seguindo com a leitura dos valores mensuráveis do sensores analógico DTH 11, através de comandos específicos da biblioteca dos sensores que estão no IDE do Arduino DUE finalizando o processo de entrada de dados irá ler a matriz de caracteres enviado apelo smartphone, interpretá-la através dos protocolos, separar em variáveis.

Com as variáveis do valores lidos por todos os sensores, monta-se uma matriz de caracteres e envia para o smartphone e finalizando a saída de dados escrevendo no LCD os valores de temperatura e umidade relativa do ar interno.

Na Figura 51b está a lógica utilizada pelo smartphone que inicia com o monitoramento se algum botão foi pressionado, caso sim interpreta ele através dos protocolos e envia para o controlador. Ao receber a matriz de caractere do controlador o smartphone separa os mesmos de acordo com os protocolos, e direciona-os a variáveis, que apresentará as mesmas na tela principal e para as variáveis status de iluminação e janelas mudará características dos botões.

Figura 51 - Lógica de programação do controlador (a) e do aplicativo no smartphone (b)

Fonte: Própria autoria.

3.2.5 Construção do protótipo

A construção do protótipo deu-se nos laboratórios do NIMASS, com a participação de todos os bolsistas dos projetos de pesquisas. Nas Figura 53a e Figura 53b é apresentada a construção da estrutura do protótipo da mini casa, ela é de madeira e baseada na estrutura campeã do “Concurso de Pórticos”, que é uma competição onde os alunos das escolas de ensino médio da cidade de Panambi/RS, realizam projetos estruturais através de normas predeterminadas, que são submetidos a esforços, onde ganha a estrutura que suportar maiores cargas. Nas Figura 53c e Figura 53d estas sendo montadas as paredes da mini casa de acordo com

especificações do item 3.2.1, e nas Figura 53e e Figura 53f é apresentado fotos da mini casa finalizada.

Figura 52 - Fotos da construção da mini casa

Fonte: Própria autoria.

Para a fabricação das placas de circuitos eletrônicos foi utilizado o mesmo processo descrito no item 3.1.5. Na Figura 53a está a foto do painel de controle, demonstrando distribuição dos elementos eletrônicos, destaque-se abaixo da foto os bornes de conexão que ao desconecta-los pode-se retirar o painel facilitando para manutenções ou ampliações que venham a ser realizadas no painel. Na Figura 53b é apresentada uma foto da caixa de sensor externa onde nela está montado o circuito da Figura 48. Na Figura 53c está a foto da caixa de sensor interna onde nela está montado o circuito da Figura 49. E na Figura 53d tem a foto da caixa interface que

está posicionada na parte frontal da mini casa, acima da porta nela foi montado o circuito da Figura 50.

Figura 53 - (a) Foto do painel de comando da mini casa; (b) Caixa com sensor de luminosidade instalada na parte exterior da mini casa; (c) Caixa com sensor de luminosidade e DTH 11 instalada na

parte interior da mini casa; (d) Caixa com o LCD e interruptor do painel de controle

Fonte: Própria autoria.

3.2.6 Programação do controlador

A programação do controlador é realizada no software Arduino IDE, através da linguagem de programação baseada em C/C++, porém, há comandos específicos. Foi realizado a programação com a lógica do fluxograma do item 3.2.4 e especificações técnicas do funcionamento de alguns componentes. No Apêndice C está o programa completo com linhas comentadas. O programa contém alguns pontos a se destacar, o uso de bibliotecas originais do Arduino para a leitura do sensor analógico DHT 11 e a utilização do LCD, com o uso delas diminui-se significativamente

o número de linhas e facilita a programação, pois, basta apenas conhecer os comandos necessários para seu funcionamento.

Nas linhas 62 a 65, onde está garantindo que todas as saídas digitais iniciaram com sinal baixo, com isso, é obtido maior segurança, pois, há no protótipo níveis de tensão com 220Vca, que em caso de contato com o operador pode causar até a morte. Nas linha 86 a 95, estão todas as funções que o programa exerce, o uso de funções torna o programa modular, assim, facilitando o entendimento e a ampliação dele, também utilizam-se comandos para escrever números no serial monitor após a realização de cada função, com isso, é possível saber nos testes do sistema quando há problemas e a função ao qual ele está relacionado.

Nas linhas 116 a 135, acorre a filtragem dos dados da estação meteorológica, onde são alocados para cada variável que os pertence, através de um laço “for”, nas linhas 121,128 e 135, há uma conversão das variáveis de tipo “caractere” para tipo “inteira”, isso ocorre, porque na serial percorrem somente dados do tipo “caractere” e para fazer equações/inequações com estas variáveis, é necessário converte-las para tipo “inteira”, este procedimento é realizado em outras funções também.

Os laços “if” das linhas 165 a 175, são responsáveis por darem o status das janelas e desligar as solenoides da válvula direcional, este desligamento é necessário para que ocorra economia de energia, porque trabalhado com válvulas de centro fechado, na teoria, as pressões nas câmera dos cilindro pneumáticos permanecerão as mesma no acionamento anterior, ou seja, quando for aberta as janelas os cilindros pneumáticos permanecerão avançados mesmo com o desligamento da solenoide responsável pelo seu avanço.

Nas linhas 216 a 226, ocorre a formação da matriz de caracteres que o smartphone receberá, este passo é muito importante seguir o protocolo pré- determinado, para que não ocorram erros no programa do aplicativo para o smartphone.

3.2.7 Programação do aplicativo

A programação do aplicativo para o smartphone é realizada no software online AppInventor2 desenvolvido pelo MIT - Massachusetts Institute of Technology, através da linguagem de blocos gráficos. Inicialmente de acordo com as necessidades

impostas foi desenvolvida uma tela inicial para o aplicativo, com todos elementos mencionados no item 3.2.2, gerando um layout apresentado na Figura 54.

Figura 54 - Tela principal do aplicativo do smartphone

Fonte: Própria autoria.

Para operar a o aplicativo, primeiramente deve-se ativar o dispositivo

bluetooth do smartphone e parear com o dispositivo da mini casa nomeado “slave”

cuja a senha é 1234, em seguida abrir o aplicativo (caso o usuário não ative o dispositivo bluetooth, ao abrir o aplicativo inicia uma mensagem se ele deseja ativar). O próximo passo é clicar no botão “conectar” (o botão para conexão da Figura 54, antes de conectar-se ao um dispositivo tem sua descrição ao meio “conectar” e após conectar-se muda para “desconectar”), que iniciará uma lista de todos os dispositivos

bluetooth disponíveis, o usuário deve escolher o dispositivo “slave”, com isso se

conectará a mini casa.

Ao se conectar a mini casa já estará recebendo os valores de temperatura e umidade relativa do ar, externo e interno. No campo de botões das iluminações externa e interna terá dois botões um da cor “branca” com a escrito “ligar” e o outro com a cor “vermelha” escrito “desligada”, que ao clicar no botão “ligar” e a iluminação

acender e os botões modificam suas características, o botão que estava escrito “ligar” muda sua descrição para “ligada” e sua cor para “vermelha” e o botão que estava escrito “desligada” muda sua descrição para “desligar” e a sua cor muda para “branca”. Nas janelas acontece este mesmo processo, porém, a descrições são para “ligar” é “abrir”, para “ligada” é “aberta”, para “deligar” é “fechar” e para “desligada” e “fechada”. No Apêndice – C, está o programa de blocos do desenvolvimento do aplicativo.

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RESULTADOS

Neste capítulo são apresentadas as etapas pós-construção dos protótipos que são a realização dos testes para verificação de seu funcionamento decorreria de acordo com os itens 3.1.2 e 3.2.2, a participação em eventos onde os protótipos principalmente o do Case 2, foram colocados à disposição de diversos públicos. E uma análise de custo dos equipamentos utilizados para o controlador comparando com equipamentos convencionais.

4.1 Testes

Os testes ocorreram nas instalações da UNIJUÍ, onde foram testadas todas as funcionalidades requeridas de cada protótipo. No Case 1, com o protótipo da célula de manufatura acionada pneumaticamente, esperava-se que ao operador pressionar o botão “start” e que o sensor óptico de proximidade confirmasse a presença da peça, assim, inicia-se o ciclo com realização da alimentação de uma peça, retirando-a de um magazine introduzindo-a no processo, em seguida a peça deveria ser fixada e referenciada para a realização de uma operação genérica, que ao final de uma contagem de tempo a peça fosse expulsa do processo.

Figura 55 - Montagem dos teste realizados com a célula de manufatura acionada pneumaticamente.

Na Figura 55 tem-se a montagem da estrutura para a realização dos testes. Antes de iniciar o procedimento dos testes foi ajustado cada válvula de controle de fluxo, para que no cilindro A e B o movimento fosse suave e no cilindro C, o retorno fosse mais rápido para facilitar a saída da peça e a pressão de trabalho em 5 bar. A fonte de alimentação foi regulada com a tensão de 24 Vcc e o sistema de controle foi conectado ao computador onde nele comunicando via USB apresentará o número de peças que passaram no processo. Os teste aconteceram na sala de sistemas pneumáticos do Laboratório de Projetos.

Foram realizados diversos ciclos de funcionamento e a célula de manufatura teve um comportamento adequado, de acordo com as especificações esperadas. Um ponto importante que foi melhorado durante os testes foi a diminuição da pressão de trabalho de 5 bar para 2,5 bar, com isso, os elementos que compõem o circuito pneumático tem suas taxas de requerimento diminuídas. Este protótipo foi utilizado em uma aula prática da disciplina Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos onde foi submetido a horas de funcionamento pelos acadêmicos, nesta aplicação ocorreu o aquecimento do regulador de tensão 7805, que foi solucionado com um dissipador térmico acoplado a ele.

Figura 56 - Testes da mini casa

Fonte: Própria autoria.

No Case 2, com a mini casa automatizada, esperava-se que o operador com a conexão via bluetooth do aplicativo desenvolvido para o smartphone com a mini

casa, tenha acesso aos valores de temperatura e umidade relativa do ar externo e interno, também tenha como controlar a iluminação externa e interna e o acionamento das janelas, ou seja, tenha o controle total dos sistemas da mini casa na “palma da mão”. Os testes iniciais como mostra na Figura 56 foram realizados sem o uso da energia fotovoltaica e com o uso de um compressor externo.

Inicialmente foi carregado o programa no Arduino DUE, realizado o download e instalação do aplicativo no smartphone, os circuitos foram alimentados por uma fonte de alimentação e a estação meteorológica foi conectada à rede elétrica. Ao ligar o sistema o módulo bluetooth conectou com a estação meteorológica automaticamente. No smartphone foi ativado o bluetooth e pareado com o outro módulo do controlador.

O início dos teste de funcionalidades do aplicativo foi pressionando o botão de conexão no aplicativo e abriu a lista dispositivos, onde foi escolhido o “slave”, em seguida, com a mensagem “O bluetooth está conectado”, os valores de temperatura e umidade relativa do ar já estavam sendo apresentados na tela principal do aplicativo e ao pressionar todos os botões, os comandos nele determinados foram atendidos com sucesso, além de que o LCD estava funcionando como foi programado. Os problemas que ocorreram neste estágio foram algumas falhas na etapa de energização, onde contatos estavam mal conectados e foram solucionados com uma revisão no circuito elétrico através de reaperto.

O sistema de energia solar foi instalado e junto a ele foi instalado um compressor de tensão 12Vcc, tornando a mini casa autônoma, ou seja, não há necessidade de conexão de energia elétrica e pneumática exterior.

4.2 Análise de custo

Os projetos apresentados neste trabalho, exercem funções similares a projetos de automação industrial e residencial existentes no mercado, porém, o valor deles é bem reduzido. Isto é reflexo principalmente do controlador onde foi utilizado Plataforma microprocessada, onde em aplicações que estão no mercado são usados controladores lógicos programáveis (CLPs). A diferença de preço entre estes dois tipos hardware de controle é grande, veja na Tabela 14 o custo do hardware do controlador no projeto do Case 1 e na Tabela 15 o do Case 2.

Tabela 14 - Custo do hardware de controle da célula de manufatura acionada pneumaticamente

ITEM DESCRIÇÃO QUANT. UN. PREÇO UM PREÇO TOTAL

1 Arduino UNO R3 1 PÇ R$ 59,90 R$ 59,90

2 LED de Alto Brilho 5mm 12 PÇ R$ 0,63 R$ 7,56

3 Transistor BC548 NPN 6 PÇ R$ 0,24 R$ 1,42 4 Relé 5V - 10A 6 PÇ R$ 3,30 R$ 19,80 5 Diodo Retificador 1N4007 6 PÇ R$ 0,13 R$ 0,77 6 Resistor 220R 18 PÇ R$ 0,08 R$ 1,35 7 Resistor 1k 12 PÇ R$ 0,08 R$ 0,90 8 Resistor 10k 6 PÇ R$ 0,08 R$ 0,45

9 Cap. Eletrolítico 10uF 2 PÇ R$ 0,10 R$ 0,20

10 Cap. Eletrolítico 100uF 2 PÇ R$ 0,20 R$ 0,41

11 Reg. de Tensão 7805 5V 1 PÇ R$ 1,90 R$ 1,90

12 Reg. de Tensão 7809 9V 1 PÇ R$ 2,04 R$ 2,04

15 Outros 1 - R$ 20,00 R$ 20,00

TOTAL R$ 116,70

Fonte: Loja UsinaInfo.

Tabela 15 - Custo do hardware de controle da mini casa

ITEM DESCRIÇÃO QUANT. UN. PREÇO UM PREÇO TOTAL

1 Arduino DUE 1 PÇ R$ 189,00 R$ 189,00

2 Mod. Bluetooth HC-05 2 PÇ R$ 57,90 R$ 115,80

3 LED de Alto Brilho 5mm 12 PÇ R$ 0,63 R$ 7,56

4 Transistor BC548 NPN 6 PÇ R$ 0,24 R$ 1,42 5 Relé 5V - 10A 6 PÇ R$ 3,30 R$ 19,80 6 Diodo Retificador 1N4007 6 PÇ R$ 0,13 R$ 0,77 7 Resistor 220R 12 PÇ R$ 0,08 R$ 0,90 8 Resistor 1k 6 PÇ R$ 0,08 R$ 0,45 9 Resistor 10k 6 PÇ R$ 0,08 R$ 0,45

10 Cap. Eletrolítico 10uF 3 PÇ R$ 0,10 R$ 0,30

11 Cap. Eletrolítico 100uF 3 PÇ R$ 0,20 R$ 0,61

12 Reg. de Tensão 7805 5V 1 PÇ R$ 1,90 R$ 1,90 13 Reg. de Tensão 7809 9V 1 PÇ R$ 2,04 R$ 2,04 13 Reg. de Tensão 7809 9V 1 PÇ R$ 3,56 R$ 3,56 14 Conector 12mm 2 vias 2 PÇ R$ 1,34 R$ 2,68 15 Conector 12mm 3 vias 14 PÇ R$ 1,50 R$ 21,00 15 Outros 1 - R$ 20,00 R$ 20,00 TOTAL R$ 388,24

Fonte: Loja UsinaInfo.

Já os CLP’s, aplicados em automações podem variar entre, R$ 1.000,00 á R$ 5.000,00. É notável a diferença do custo, sendo que, o hardware apresentado neste trabalho exerce funções similares aos CLP’s.

4.3 Mostra em eventos

Os protótipos participaram de algumas mostras em eventos que ocorreram neste primeiro semestre de 2016. O primeiro foi “2º Concurso de Pórticos UNIJUÍ”, foi um evento realizado pela UNIJUí no Campus Panambi, onde alunos das escolas de ensino médio de Panambi e região disputam uma competição construindo estruturas de madeira e as testando-as, o mini casa ficou exposta para divulgar o projeto de pesquisa “Desenvolvimento de soluções criativas para conforto térmico e acústico”, a exposição da mini casa para a divulgação deste projeto também aconteceu no “Início do Ano Letivo” e no “Saca Dúvidas UNIJUÍ”, ambos no Campus Panambi. Na Figura 57 está apresentada uma foto com o local onde a mini casa foi exposta no “2º Concurso de Pórticos UNIJUÍ” e com os bolsistas do laboratório de projetos.

No Rotary Day, que foi um evento realizado pelo Rotary Club Panambi onde houve atrações diversificadas nas áreas de: Saúde e Qualidade de Vida; Entretenimento e Cultura, Garantia de direitos e Solidariedade. A mini casa foi exposta no estande da UNIJUÍ, como mostra na Figura 58.

Figura 57 - Foto da mini casa no 2º Concurso de Pórticos UNIJUÍ

Figura 58 - Foto da do estande UNIJUÍ no Rotary Day

Fonte: Própria autoria.

Com o objetivo de divulgar o curso de Engenharia Mecânica a mini casa e a célula de manufatura acionada pneumaticamente foram expostas na abertura da “Semana Acadêmica Departamento de Ciências Exatas e Engenharias (DCEEng)”, na Figura 59 apresenta-se a foto do local de exposição dos protótipos.

Figura 59 - Foto da exposição da mini casa: e a célula de manufatura acionada pneumaticamente

4.4 Trabalhos publicados

Com os estudos praticados nestes trabalho, foram formulados dois artigos para eventos distintos, que são o XLV Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola (CONBEA) e a Conference on ENTERprise Information Systems, em International Workshop on Systems Mode l ling, Simulation and Optimization (IWoSMSO).

Produzir e conhecer o melhor, o mais qualificado, o diferenciado, o mais valorizado, requer avançar em domínios também diferenciados e melhor capacitados, a complexidade desses domínios no âmbito do trabalho de construção de conhecimentos, aliada à competência de apresentar para a comunidade científica e profissional da prática, interessados em conhecê-los, nos remete a exercitar a arte de publicar. Um periódico de natureza científica segue os critérios estabelecidos por órgãos indexadores e controladores da qualidade científica requerida, respectivo impacto e visibilidade junto à comunidade alcançada pelo mesmo. (ERDMANN, 2011) Nesta ideologia foram desenvolvidos dois artigos para publicação, um para a Revista Cientifica Internacional denominada Journal of Industrial Engineering, da editora Hindawi Publishing Corporation, com o título “Development of a pneumatically driven cell for low cost automation”, onde é descrito o desenvolvimento do case 1, sendo que este evento será realizado na cidade de Porto em Portugal, nos dias 5 a 7 de outubro de 2016. E o outro no XLV Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola (CONBEA), com o título “Desenvolvimento de um Sistema Mecatrônico com Energia Fotovoltaica para Melhorar o Conforto Térmico em Aviários”, onde é descrito a aplicação do sistema mecatrônico da mini casa em aviários, com o objetivo de evitar mortes de aves em quedas da rede elétrica, sendo que este evento será realizado na cidade de Florianópolis, nos dias 24 a 28 de julho 2016.

CONCLUSÃO

Ao término deste trabalho, através de objetivos incialmente arquitetados foram desenvolvidos dois cases com sistemas mecatrônicos de baixo custo, nas áreas automação industrial e residencial. A evolução tecnológica vivenciada, traz mudanças drásticas no cotidiano, a automação de sistemas industriais passou de ser uma exceção, para uma obrigação em industrias que anseiam crescimento e não temem a falência. Já em residências a automação de sistemas está em uma evolução frenética, onde a cada dia depara-se com novidades, com isso, tende-se aos próximos anos ter um crescimento exponencial, porém, o limitante ainda é o custo. Neste contexto este trabalho buscou soluções para a obtenção de sistemas mecatrônicos que atendam às necessidades em industrias e residências com um custo, principalmente no controle, reduzido.

Esta necessidade em que os sistemas industriais e residenciais, tornam-se autônomos, ou seja, tenha um comportamento previamente programado, sem a interferência humana, mostra que a integração das engenharias é um processo evolutivo na história das máquinas. Este trabalho mostra a importância da integração das engenharias mecânica, eletroeletrônica e informática para a concepção de um produto.

Neste contexto, através de uma metodologia na concepção do projeto de produto clássica e com os objetivos de fazer uma análise nas necessidades, montar diagramas gráficos do funcionamento desejado, descrever os projetos mecânicos, lógicos e eletrônicos, construir os protótipos, desenvolver softwares de controle, testar e apresentar os custos, os dois cases obtiveram sucesso.