Automação industrial de baixo custo utilizando Arduino.

Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação. Este trabalho apresenta um estudo de automação residencial de baixo custo, utilizando o Arduino como central de automação, com o objetivo principal de proporcionar segurança, conforto e economia aos usuários. Após contextualizar essas tecnologias, há um estudo voltado para o uso racional de energia e atendimento a pessoas com necessidades especiais.

Automação residencial, ou domótica, é um termo comumente utilizado para definir uma residência que integra tecnologia e serviços com o objetivo de melhorar a eficiência energética e a qualidade de vida de seus moradores. A automação residencial, que inicialmente se limitava ao controle de dispositivos isolados, como o controle de ventilação, resfriamento, gases de exaustão e aquecimento ambiente, com configurações pré-determinadas e sem integração com outros elementos de instalações residenciais, evoluiu para sistemas integrados que estão em um inteligente e programável é centralizado. sistema, por meio do qual é possível controlar diversas tarefas automaticamente (BOLZANI, 2004). Com a popularização da internet banda larga, essa tecnologia também passou a ser utilizada em sistemas de automação residencial, possibilitando o monitoramento da residência, presencialmente e também remotamente, por meio de uma página da web ou aplicativo no smartphone.

Outros meios, como o Bluetooth, padrão de comunicação desenvolvido para integração entre celulares e periféricos, também passaram a ser utilizados para controlar dispositivos a curta distância (EUZÉBIO; MELLO, 2013). Os métodos de comunicação estudados nesta pesquisa serão Wi-Fi, ZigBee e Bluetooth, sendo fundamental entender o funcionamento de cada um para avaliar qual atenderá melhor as necessidades da residência. O objetivo deste trabalho é, portanto, demonstrar, por meio de pesquisa bibliográfica, os benefícios da automação residencial e abordar as mais importantes tecnologias disponíveis no mercado.

Objetivo

PROTOCOLO TCP/IP

Interface de Rede: Esta camada recebe os pacotes enviados pela camada Internet e os envia pela rede. Ele é responsável por enviar e rotear pacotes entre hosts, portanto sua função é encontrar o caminho entre os computadores, essa função é realizada pelo protocolo IP" (BOLZANI, 2011). Camada de Transporte: Responsável por receber os dados da camada de aplicação a serem transmitidos e desmembrá-los em pacotes menores.

Camada de Aplicação: Esta camada estabelece a comunicação entre programas e protocolos de transporte em TCP-IP. A camada de aplicação usa vários protocolos, sendo os mais populares: HTTP (Hyper Text Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol), SNTP (Simple Network Protocol), DNS (Domain Name System). e Telnet (SILVEIRA, 2016).

REDES WIRELESS

IEEE 802.11
IEEE 802.11b
IEEE 802.11n
IEEE 802.11ac

Permite o transporte de dados através de diferentes tipos de redes (x.25, ATM (Asynchronous Transfer Mode), FDDI (Fiber Distributed Data Interface), Ethernet, Token, Ring, Frame Relay, etc.), a maioria das quais são utilizadas hoje em dia é Ethernet (BOLZANI, 2011). Em 1997, o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) criou o primeiro padrão de LAN sem fio (Local Area Network), que eles chamaram de IEEE 802.11. Infelizmente, o 802.11 suporta apenas uma largura de banda máxima de rede de 2 Mbps - muito lento para a maioria dos aplicativos.

O IEEE 802.11b foi o primeiro a ser amplamente adotado e, portanto, foi um dos responsáveis pela popularidade das redes Wi-Fi. Lançado em 2009, o padrão 802.11n é uma atualização que aprimora os padrões 802.11 anteriores, adicionando antenas de entrada múltipla e saída múltipla ("MIMO"). O padrão opera nas bandas de 2,4 GHz e 5 GHz, com taxa de transferência de dados de 54 Mbps a 600 Mbps, com capacidade para trabalhar com até 4 antenas simultaneamente e alcance de 70 m (NARULA, 2015).

As mudanças do 802.11n incluem canais mais largos (80 ou 160 MHz vs. 40 MHz) na banda de 5 GHz, o que causa menos interferência, pois muitos dispositivos, como micro-ondas, telefones sem fio, etc., emitem sinais em 2,4 GHz; a adição de entradas multiusuário, saídas múltiplas (MU-MIMO) e a possibilidade de trabalhar com até 8 antenas simultaneamente.

Bluetooth

Modo de segurança 1: não seguro – a transferência de dados ocorre sem nenhuma forma de segurança. Modo de segurança 2: Segurança de nível de serviço forçada - O dispositivo Bluetooth inicia os procedimentos de segurança após o estabelecimento da conexão. Modo de segurança 3: Nível de segurança de link forçado – Este modo é o mais seguro.

Os procedimentos de segurança incluem chaves de código, autenticação do dispositivo e criptografia dos dados transmitidos.

ZigBee

Estudo Comparativo das Tecnologias Wireless

ARDUINO

Shields Arduino
Arduino Ethernet Shield
Arduino WiFi Shield
Arduino Xbee Shield
Arduino Bluetooth Shield

Seu baixo custo e facilidade de desenvolvimento de projetos, mesmo para leigos em programação e eletrônica, o tornaram muito popular, sendo possível encontrar diversos sites de desenvolvimento de protótipos na Internet (ARDUINO, [20--]e]). Shields são placas de circuito impresso que se conectam ao Arduino por meio de pinos, e têm como objetivo expandir as capacidades do sistema. Os shields permitem que o Arduino adquira novas funções, como: conexão à rede local através do Ethernet Shield; conexão a redes sem fio usando WiFi Shield;.

A existência de shields torna o uso do Arduino muito mais versátil, sendo um dos fatores determinantes na popularidade desta plataforma. O Ethernet Shield é responsável por conectar o Arduino a uma rede local, através de um cabo RJ45. Segundo Bolzani (2004), “as redes Ethernet são a principal alavanca no processo de interligação de computadores em redes e ainda, após décadas, uma das melhores alternativas para redes domésticas”.

Este shield se conecta ao Arduino através de conectores empilháveis, permitindo que outro shield seja conectado em cima deste (Arduino, [20--]c). É considerada uma excelente solução para residências que não foram planejadas para receber projeto de automação residencial e por isso o projeto não incluiu conduítes para cabos RJ45 utilizados como meio de transferência de dados na comunicação Ethernet, sem a necessidade de quebrar as paredes até instalação dessas tubulações. O Arduino Xbee Shield é utilizado para permitir que a placa Arduino estabeleça comunicação sem fio através do padrão Zigbee, que foi projetado com base no padrão IEE 802.15.4.

Tem dimensões muito pequenas (menos de 3 cm x 3 cm) e está disponível em 2 versões diferentes (XBee / XBee Pro) que diferem na potência de transmissão. O XBee se conecta a 1mW e tem alcance de 100m em ambientes desobstruídos (outdoor) ou 30m em ambientes obstruídos (indoor), enquanto o XBee Pro opera a 60mW, permitindo atingir um raio de transmissão de até 1,6km ou 100m ( exterior/interior) (ARDUINO, [20--]e]). O Arduino Bluetooth Shield é usado para habilitar a comunicação sem fio bluetooth através da porta serial do Arduino.

UART (Receptor / Transmissor Assíncrono Universal) Interface TTL (Transistor-Transistor Logic) com taxa de transmissão programável.

Sensores

Sensores Fotoelétricos
Sensores de Temperatura
Sensores Magnéticos de Abertura
Sensor Infravermelho Passivo
Sensor de Gás Inflamável e Fumaça MQ2

Devido a esse alto “tempo de recuperação”, não é recomendado o uso de LDR em sensores como leitores de cartões perfurados, códigos de barras ou sistemas de alarmes modulados. Porém, em aplicações mais simples onde o tempo necessário para acionamento é maior, como alarmes, brinquedos, sensores de luz ambiente, detectores de luz, fatorômetros, é muito útil (THOMAZINI; . ALBUQUERQUE, 2011). Os sensores de temperatura são divididos em vários tipos, cada um específico para uma determinada aplicação.

Na automação residencial, os sensores de temperatura fazem parte do controle de temperatura de um determinado ambiente, onde enviam os valores de temperatura medidos para o sistema de controle, que por sua vez pode acionar aquecedor, ar condicionado, ventilador, entre outros. Os sensores do tipo NTC são mais comumente usados devido à sua alta sensibilidade a aumentos de temperatura e baixos custos de produção. Os sensores do tipo PTC operam em uma faixa limitada devido à falta de linearidade, e possuem a peculiaridade de possuir um ponto de transição, e somente após uma determinada temperatura é que apresentam variação ôhmica com variação de temperatura (SENA, 2017).

Operam em temperaturas de -50°C a 150°C e, devido ao seu baixo custo, estabilidade e sensibilidade às variações de temperatura, são utilizados em um grande número de aplicações. O LM35 é o sensor de temperatura mais utilizado atualmente devido ao seu baixo custo, fácil obtenção e fácil comunicação com microcontroladores como Arduino, PIC, ARM e RaspberryPi. O LM35 é um sensor de temperatura semicondutor com uma tensão de saída linearmente proporcional à temperatura em graus Celsius e uma faixa de temperatura de -55°C a 150°C.

Sensores magnéticos de abertura são comumente usados em portas e janelas a serem controladas para detectar se a porta ou janela está aberta ou fechada. Um reed switch consiste em duas folhas de material ferromagnético dentro de uma cápsula de vidro de alta resistência. Quando o ímã é removido, os contatos do reed switch se abrem, ativando o circuito e acionando um sistema de alarme ou alerta (BRAGA, 2014a).

O sensor infravermelho passivo (sensor PIR) é um sensor eletrônico que detecta radiação infravermelha de objetos dentro do alcance do sensor. Quando o gás combustível entra em contato com o sensor, a condutividade do sensor aumenta proporcionalmente com a concentração do gás, e com isso o sensor envia um sinal ao seu controlador (POLOLU, 2017).

Sensor de Iluminação

Controle de Portas e Janelas

Controle de Temperatura

Sensores de presença

Controle de Incêndio

Automação Residencial Utilizada no Auxílio a Pessoas com Necessidades

Com isto, torna-se necessário implementar um plano para que os idosos e deficientes físicos tenham um dispositivo de apoio nas suas casas e não tenham de recorrer a estruturas de cuidados externas. E é por isso que as tecnologias assistivas se tornam uma ferramenta essencial para que esse grupo de pessoas tenha mais autonomia, pois podem controlar e monitorar suas casas, bastando ter um celular ou um computador em mãos conectado a um sistema de automação residencial. Tecnologias assistivas ou capacitantes são qualquer equipamento ou função tecnológica utilizada para fornecer, manter ou melhorar as capacidades funcionais de pessoas com necessidades especiais ou deficiências" (ELLOY, 2010).

Embora o investimento inicial na implementação de um sistema de domótica seja relativamente elevado, este valor é inferior aos custos associados a lares ou instalações de vida assistida (Casas, 2008). Botão de emergência: Trata-se de um botão de emergência que, ao ser acionado, alerta imediatamente entes queridos ou autoridades sobre uma emergência para socorrer uma pessoa que necessite de cuidados especiais. Você pode controlar a iluminação, temperatura, som e outras variáveis relacionadas ao sistema sem precisar se deslocar dentro dele.

34;conectado" que ajuda os pacientes a evitar a readmissão no hospital enquanto são tratados e avaliados em suas próprias casas.

A Utilização Racional de Energia

Conclusões

SUGESTÕES DE TRABALHO FUTURO