UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA ANDRÉ WALTRICK
RICARDO RIBEIRO STEPANSKI
SISTEMA DE COMUNICAÇÃO SEM FIO RF-433,92 MHZ PARA CONTROLE DE ILUMINAÇÃO E CÂMERA
Palhoça 2014
ANDRÉ WALTRICK
RICARDO RIBEIRO STEPANSKI
SISTEMA DE COMUNICAÇÃO SEM FIO RF-433,92 MHZ PARA CONTROLE DE ILUMINAÇÃO E CÂMERA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica Telemática da Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Fábio Ignácio Rosa, Engº.
Palhoça 2014
Para aqueles que fizeram parte desta árdua caminhada.
AGRADECIMENTOS
Queremos agradecer primeiramente a Deus, pela força e coragem durante esta longa caminhada.
A todos nossos professores que contribuíram e enriqueceram nossos conhecimentos em toda nossa vida acadêmica, principalmente aos professores Clécio Marquetti e Sheila Santisi que farão parte de nossa banca e deram apoio ao nosso trabalho.
Ao professor Fábio Ignácio que como orientador foi excelente, nos ajudou com a escolha do tema, e nos tranquilizou como equipe num momento difícil.
Por último e em especial ao nosso colega Dioni Padilha pela parceria, apoio nos estudos durante todos esses anos.
André Waltrick agradece a:
Aos meus pais, José Carlos Waltrick e Zenita Anselmo Waltrick, minhas filhas Mariana Carlyzie Borges Waltrick, Karine Israel Waltrick e a toda minha família que, com muito carinho e apoio, não mediram esforços para que eu chegasse até esta etapa de minha vida.
Ao meu colega Ricardo Ribeiro Stepanski, pelo incentivo e pelo apoio constantes. A todos que direta ou indiretamente fizeram parte de minha formação, o meu muito obrigado.
Ricardo Ribeiro Stepanski agradece a:
Foi muito difícil chegar até aqui, mas cheguei, e tudo isso graças ao apoio de minha paciente mãe Cleimar Ribeiro Stepanski, ao qual devo toda minha educação e minha vida. As minhas irmãs Elaine e Marina Stepanski e toda minha família por acreditar em mim e ser um incentivo para continuar.
Agradeço meu colega Waltrick pela parceria e ao qual tive prazer de estudar e trabalhar junto, inclusive meus colegas Thiago, Jefferson e Henry, que foram parceiros nos serviços voluntários, nas saídas pós-aula para descontrair e se desestressar, me deu força e ajudou a seguir em frente.
Gostaria de agradecer em especial a minha noiva e futura esposa Suellen da Silva Dias, que me deu apoio durante todo o curso, que teve que aguentar fins de semana de sol, trancada comigo num quarto, apenas para fazer companhia nos meus estudos, além de ter contribuído neste TCC, se não fosse por ela, talvez não conseguisse chegar aqui.
“É muito melhor lançar-se em busca de conquistas grandiosas, mesmo expondo-se ao fracasso, do que alinhar-se com os pobres de espírito, que nem gozam muito nem sofrem muito, porque vivem numa penumbra cinzenta, onde não conhecem nem vitória, nem derrota.” (Theodore Roosevelt).
RESUMO
O presente trabalho visa deferir as necessidades básicas e anseios do residente, deste modo projeta-se um sistema que faça controle eficiente de iluminação e controle PTZ (Pan, Til e Zoom) de câmera speed dome, através do sistema sem fio na frequência de 433,92 MHz. Para atender este objetivo, utiliza-se das tecnologias PWM (Pulse-Width Modulation) e placas relés para o controle e acionamento da iluminação, a seguir faz-se o uso do protocolo Pelco D para a comunicação do receptor com câmera. Assim tal estudo emprega o uso de um sistema composto de controle remoto, receptor e placas de automação, cada um desses módulos é composto por microcontrolador programável e circuitos analógicos. Para tanto este sistema necessita do dimensionamento de hardware e firmware para estabelecer comunicação do controle remoto com o receptor pelo sinal RF de 433,92 MHz, salienta-se também a comunicação do receptor com os módulos de automação através do padrão RS-485. Com isso, para projetar e dimensionar o sistema busca-se através do método hipotético dedutivo, embasar o sistema proposto e posteriormente através do método experimental, por meio de testes e medições, validar o protótipo do sistema.
ABSTRACT
The present work aims to uphold the basic needs and aspirations of the resident, thus designing a system that makes efficient control of lighting and control PTZ (Pan, Til and Zoom) camera speed dome through the wireless system at the frequency of 433.92 MHz to meet this goal, we use the PWM (Pulse-Width Modulation) boards and relays for lighting control and drive technologies, then it is using the Pelco D protocol for communication receiver with camera. Thus such a study employing the use of a system comprising remote control receiver and automation boards, each of these modules consists of the microcontroller and programmable analog circuits. To do this requires sizing system hardware and firmware to communicate with the remote receiver at 433.92 MHz RF signal, also highlighted the communication receiver with automation modules via the RS-485 standard. Thus, to design and size the system will search through the hypothetical deductive method, base the proposed system and later by the experimental method, by testing and measurements, validate the prototype system.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1–Planta Baixa (Ambiente genérico) ... 17
Figura 2–Planta Baixa com o sistema (Ambiente genérico) ... 17
Figura 3–Diagrama de bloco funcional da solução proposta... 18
Figura 4–Microcontrolador PIC16F877A ... 21
Figura 5–Diagrama de pinos - Microcontrolador PIC16F877A ... 22
Figura 6–Gerador de Clock de um microcontrolador a partir de cristal de quartzo ... 23
Figura 7–Diagrama de compilação de um programa e gravação de um PIC ... 24
Figura 8–Modulação ... 25
Figura 9–Modulação ASK-OOK ... 27
Figura 10–Potência média entregue a carga ... 28
Figura 11–Ciclo Ativo ... 28
Figura 12 – Controle de potência pelo ciclo ... 29
Figura 13–Antena tipo loop ... 30
Figura 14–Antena monopolo ¼ de onda... 31
Figura 15–Diagrama de blocos de câmera CFTV ... 33
Figura 16–Composição protocolo Pelco D ... 34
Figura 17–Composição dos bytes 3 e 4 ... 34
Figura 18–Planta Baixa com o sistema (Ambiente genérico) ... 36
Figura 19–Diagrama de bloco funcional da solução proposta... 36
Figura 20–Diagrama de blocos funcional do transmissor ... 37
Figura 21–Interface do controle transmissor ... 38
Figura 22–Esquema elétrico da interface do controle ... 40
Figura 23–Esquema elétrico do codificador ... 41
Figura 24–Esquema elétrico da sinalização... 42
Figura 25–Alimentação do codificador/microcontrolador ... 43
Figura 26–Comunicação transmissor ... 43
Figura 27–Declaração de entradas e saídas no firmware... 44
Figura 28–Seleção da função modo... 44
Figura 29 – Controle da câmera... 45
Figura 30–Codificação e transmissão ... 45
Figura 31–Codificação de bits 1 e zero ... 46
Figura 32–Diagrama lógico geral ... 46
Figura 33–Esquema elétrico circuito RF ... 47
Figura 34–Esquema elétrico Transmissor ... 49
Figura 35–Diagrama de blocos receptor ... 50
Figura 36–Esquema elétrico receptor e demodulador de sinal ... 51
Figura 37–Código padrão do decodificador ... 53
Figura 38–Declaração entrada e saídas... 53
Figura 39–Leitura do código piloto ... 54
Figura 40– Decodificação da mensagem 24 bits ... 54
Figura 41–Codificação de bits 1 e zero ... 55
Figura 42–Validação da mensagem ... 55
Figura 43–Confirmação da mensagem ... 56
Figura 44–Envio de comando para câmera ... 56
Figura 45–Resposta recebida das placas de automação ... 57
Figura 47–Esquema elétrico Receptor ... 59
Figura 48–Controle automático da câmera ... 60
Figura 49–Diagramas em blocos do PWM... 61
Figura 50–Verificação da mensagem recebida ... 62
Figura 51–Tratamento da mensagem recebida ... 63
Figura 52–Esquema elétrico Placa PWM ... 65
Figura 53–Diagramas em blocos do Relé ... 66
Figura 54–Tratamento da mensagem recebida Relé... 66
Figura 55–Circuito relé ... 67
Figura 56–Circuito da placa relé... 68
Figura 57–Tratamento da mensagem recebida Timmer ... 69
Figura 58–Referência de tempo no desligamento de carga ... 69
Figura 59–Esquema elétrico da placa timmer ... 71
Figura 60–Protótipo módulo transmissor ... 73
Figura 61–Sinal de saída do controle transmissor ... 74
Figura 62–Protótipo módulo receptor... 74
Figura 63 – Sinal de saída RF na recepção ... 75
Figura 64–Sinal RS-485 ... 76
Figura 65– Sistema sem fio de automação ... 76
1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 TEMA ... 13 1.2 PROBLEMA ... 14 1.3 JUSTIFICATIVA ... 15 1.4 OBJETIVOS ... 15 1.4.1 Objetivo geral... 15 1.4.2 Objetivos específicos... 15 1.5 DELIMITAÇÕES ... 16 1.6 PROPOSTA DA SOLUÇÃO... 16 1.7 METODOLOGIA ... 19 1.8 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 19 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 20 2.1 MICROCONTROLADORES ... 20 2.1.1 Microcontrolador PIC ... 21 2.1.1.1 PIC 16F877A ... 21 2.1.1.1.1 Hardware... 22
2.1.1.1.1.1 Gerador de clock – Oscilador XT ... 23
2.1.1.1.2 Firmware ... 23
2.2 MODULAÇÃO ... 25
2.2.1 Modulação Digital ... 26
2.2.1.1 Modulação ASK-OOK... 26
2.2.1.2 Modulação por largura de pulso (PWM) ... 27
2.3 ANTENAS ... 29
2.3.1 Antena loop ... 30
2.3.2 Antena monopolo de ¼ de onda ... 30
2.4 CIRCUITO FECHADO DE TV (CFTV) ... 32
2.4.1 Câmeras de CFTV... 32
2.4.1.1 Controle PTZ (PAN, TIL, ZOOM) ... 33
2.4.1.1.1 Protocolo Pelco D ... 33
3 DESENVOLVIMENTO ... 35
3.1 VISÃO GERAL... 35
3.2 CONTROLE TRANSMISSOR... 37
3.2.1 Interface usuário ... 38
3.2.2 Codificador e tratador de dados ... 40
3.2.2.1 Sinalização... 41
3.2.2.2 Alimentação do microcontrolador ... 42
3.2.2.3 Funcionamento lógico do transmissor ... 43
3.2.2.4 Projeto do firmware do transmissor... 44
3.2.3 Circuito RF transmissor ... 46
3.3 RECEPTOR ... 50
3.3.1 Receptor e demodulador de sinal... 51
3.3.2 Decodificador e tratador de dados... 52
3.3.2.1 Funcionamento lógico do decodificador e tratador de dados ... 53
3.3.2.2 Projeto do firmware do decodificador ... 53
3.3.3 Conversor TTL para RS-485 ... 57
3.5.2 Circuito PWM ... 63
3.6 PLACA RELÉ ... 66
3.6.1 Projeto do Firmware do relé... 66
3.6.2 Circuito Relé ... 67
3.7 PLACA TIMMER ... 69
3.7.1 Projeto do Firmware da placa timmer... 69
3.7.2 Circuito timmer/relé... 70 4 RESULTADOS ... 73 4.1 MÓDULO TRANSMISSOR ... 73 4.2 MÓDULO RECEPTOR ... 74 4.2.1 Saída RS-485 ... 75 4.3 PLACAS DE AUTOMAÇÃO ... 76 5 CONCLUSÃO ... 78 REFERÊNCIAS ... 81
1 INTRODUÇÃO
Descrevem-se neste capítulo as definições gerais deste trabalho: tema, problema, justificativa, objetivo geral, objetivos específicos, delimitações, proposta da solução, metodologia e estrutura do trabalho.
1.1 TEMA
A tecnologia desde o final do século XX caminhou a passos largos, basta observar o modo como o ser humano integralizou e evoluiu o método de comunicação, é possível constatar que uma evolução tecnológica se fez presente nas décadas passadas.
Recorrente a isso, nos últimos anos a mobilidade e a praticidade têm sido a palavra chave para facilitar o controle e a comunicação do ser humano. Para tanto, a tecnologia sem fio veio para estabelecer esses laços, oferecendo, além dos inúmeros avanços tecnológicos, a satisfação, o conforto, a segurança e a resolução de diversos problemas para o consumidor final.
Deste modo, verifica-se a existência das mais diversas técnicas para este feito, desde rede sem fio de alta velocidade, transitando dados de extrema importância, como o controle de tráfego de uma cidade, até o mapeamento de um veículo através do GPS (Global
Positioning System), comprovando-se assim a importância e necessidade da mesma.
De acordo com a autora Goldsmisth (2004, p.1), a tecnologia sem fio veio para atender grandes corporações e empresas de médio porte, até chegar ao consumidor, que a utiliza para diversas atividades rotineiras, como o acionamento remoto, supervisão e controle dos equipamentos localizados dentro de um determinado ambiente. Observa-se, portanto, que o consumidor tem aderido por praticidade na automação de seu sistema.
Corroborando com o pensamento de Goldsmisth, o autor Ribeiro (1999, p.13) declara que a automação surgiu na indústria auxiliando parte do processo industrial e acelerando a fabricação de matérias primas, reduzindo custo e mão de obra. Com o passar do tempo, as mais diversas aplicações nestes ramos foram sendo utilizadas para o uso comercial e residencial.
Deste modo, a automação integra e automatiza todos os equipamentos de uma propriedade e/ou edificação, podendo ser aplicada as mais diversas áreas e necessidades do ser humano.
Somando a tecnologia sem fio com a automação, há o ganho de controle, supervisão, otimização e praticidade na utilização de equipamentos e dispositivos.
Portanto, o presente trabalho tem como objetivo a implementação de um sistema sem fio que integra, automatiza e controla o sistema de iluminação e segurança de um ambiente residencial.
1.2 PROBLEMA
O ser humano tem convivido com a tecnologia e a tem usado a seu favor. Por este fato, o uso da tecnologia sem fio e a automação têm sido muito utilizadas em residências para oferecer conforto, praticidade e segurança ao residente.
Um sistema sem fio, além de prover economia, simplifica e viabiliza a instalação. A opção deste uso foi observada devido a sua importância e tendência de crescimento no mercado tecnológico, conforme afirma Pozar (2000, p.5):
Wireless system design is one of the most exciting fields in electrical engineering today. In economic terms, wireless applications that include cellular and PCS telephony, WLAN, GPS, DBS, LMDS e RFID constitute a yearly market in excess of $100B, and strong growth is predicted over the long term. From a technical perspective, wireless system design involves a close integration of a variety of topics that include antennas and propagation effects, RF and microwave circuit design, noise and intermodulation effects, digital modulation methods, and digital signal processing.
Assim este trabalho propõe um projeto de sistema sem fio que controla a iluminação de um ambiente e faz o monitoramento de segurança do mesmo.
Desta forma, o usuário tem o controle da iluminação e da segurança contra possíveis invasões, caso haja abertura de portas e janelas.
O uso do sistema sem fio, somado a automação e segurança oferece as seguintes vantagens:
Segurança; Controle;
Integração dos mais diversos sistemas;
Facilidade no monitoramento de câmeras tipo speed dome; Economia de energia, devido ao controle eficiente da iluminação;
Otimização do sistema de CFTV (Circuito Fechado de TV) e confiabilidade do mesmo;
Facilidade de instalação;
Uso da implementação utilizada para acionamento remoto de outras cargas.
1.3 JUSTIFICATIVA
O desenvolvimento da automação e segurança surgiu como ferramenta e necessidade de integrar e controlar dispositivos instalados em um ambiente, pois o mesmo gera segurança, confiabilidade, além do uso eficiente de energia.
Verifica-se também a importância da aplicação de transmissão sem fio, nas mais diversas necessidades que possam surgir, sendo esta solução de maior viabilidade econômica e de fácil instalação.
Além disso, constata-se que o mercado da automação é abrangente, e encontra-se em crescimento, conforme aponta Jimenes (2013).
De acordo com o engenheiro José Roberto Muratori, diretor da Associação Brasileira de Automação Residencial (Aureside), no Brasil, o setor de automação residencial teve um crescimento bastante acelerado, principalmente, nos últimos três anos, com média de 35% ao ano e contou com a chegada de novas empresas e tecnologias. “Para se ter ideia, o número de fornecedores (fabricantes de equipamentos) presentes no Brasil triplicou nos últimos quatro anos”, garante. Deste modo, observando o crescimento deste setor, verifica-se uma lacuna onde o profissional da área elétrica possa fazer parte, utilizando seu conhecimento técnico e científico para criar novas tecnologias e resolução de problemas em campo.
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo geral
O objetivo geral deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema sem fio, que faça o controle da iluminação e câmera.
1.4.2 Objetivos específicos
Para delinear os caminhos aos quais os acadêmicos precisarão recorrer para responder o tema da pesquisa, segue:
Realizar estudo de transmissão e recepção de sinal de RF (rádio frequência), além da modulação e demodulação;
Verificar e analisar microcontrolador ideal para implementação deste equipamento, através datasheets (folha de dados do componente segundo fabricante) e de produtos que já utilizem a recepção RF;
Projeto de hardware do controle remoto multi-funções, receptor e placas de automação;
Projetar firmwares capazes de realizar a comunicação do controle remoto com o receptor, e deste com as placas de automação;
Montar e confeccionar um protótipo do sistema;
Realizar testes de funcionamento e verificação de sinal com o osciloscópio.
1.5 DELIMITAÇÕES
O sistema proposto focará na transmissão e recepção sem fio num ambiente residencial, e na comunicação via barramento com as placas de automação com as seguintes funções:
Controle automático de câmera speed dome;
Acionamento, controle de potência e temporização da iluminação.
1.6 PROPOSTA DA SOLUÇÃO
De acordo com Dias (2004):
Em geral, os projetos das residências convencionais não satisfazem por completo aos anseios dos moradores, o que se constitui num contra-senso, pois a habitação, por atender às necessidades básicas do ser humano como as de proteção, segurança e bem estar, é considerada como um dos bens de consumo de maior importância para a maioria das famílias. A moradia, o abrigo, o lar, deve ser prazeroso, eficiente, dignificante e, por ser um bem de grande vida útil, flexível às transformações sociais e tecnológicas.
Para satisfazer essa necessidade, este trabalho propõe a implementação de um sistema sem fio, com controle e integração de iluminação e câmera speed dome.
Como base para a implementação e implantação do projeto, será utilizado um ambiente genérico, conforme apresentado a seguir:
Figura 1–Planta Baixa (Ambiente genérico)
Fonte: Elaborado pelo autor
Conforme observa-se na planta baixa da Figura 1, percebe-se que o comando das luminárias funciona de maneira manual e local, além deste ambiente, não prever qualquer tipo de monitoramento e segurança.
O sistema proposto disponibilizará o controle e acionamento remoto das luminárias apresentadas em planta baixa, juntamente com a supervisão e segurança com uma câmera speed dome.
A seguir é mostrada a solução proposta do mesmo:
Figura 2–Planta Baixa com o sistema (Ambiente genérico)
Assim sendo, a Figura 2 apresenta o sistema sem fio projetado para o ambiente genérico com sensores e controle da iluminação e da câmera.
O usuário possuirá o controle da iluminação e câmera, assim a saída do receptor apresentará os seguintes comandos:
Acionamento e desligamento da iluminação do ambiente; Controle da intensidade luminosa das luminárias;
Temporização de acionamento das luminárias; Controle de movimento da câmera speed dome.
A instalação contará com sensores de abertura como medida de segurança, ou seja, assim que ocorrer uma violação em uma janela ou porta, a câmera é acionada e direcionada para onde ocorreu a violação.
O sistema irá operar com sinal RF de 433,92MHz, podendo ser acionado através de sensores sem fio ou controle remoto. A recepção contará com barramento no qual são conectadas as placas de automação.
A seguir o diagrama funcional do sistema.
Figura 3–Diagrama de bloco funcional da solução proposta
1.7 METODOLOGIA
O método de abordagem hipotético dedutivo foi utilizado para o presente trabalho, pois como afirma Prodanov (2013, p.13), o problema deste é apresentado, e o método fornece modelo de solução simplificada do mesmo.
Através de pesquisas bibliográficas são validados todos os conhecimentos necessários para auxílio da resolução do problema.
Por fim, usa-se o método de procedimento experimental no qual o objeto de estudo passa por testes e simulações para definir certas variáveis e viabilizar o funcionamento do mesmo, conforme definição dada pelo autor supracitado.
1.8 ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho será estruturado da seguinte forma:
Capítulo 1 – Neste capítulo trata da introdução que inclui o tema e o problema de pesquisa, além dos objetivos que se propõe a atingir, mostra-se a metodologia utilizada e a estrutura geral;
Capítulo 2 – Apresenta-se neste capítulo a fundamentação teórica do trabalho, validando cientificamente o projeto;
Capítulo 3 – Será apresentado todo o desenvolvimento do projeto, incluindo a pesquisa e dimensionamento, e a explicativa do funcionamento de hardware e
firmware do mesmo;
Capítulo 4 – É apresentado o protótipo do projeto e descrito os métodos utilizados para validar o hardware e firmware desenvolvido;
Capítulo 5 – Neste capítulo é embasado na visão geral e nas dificuldades encontradas durante o desenvolvimento, além de sugestões para melhoria deste projeto em trabalhos futuros.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Para melhor compreensão e entendimento do presente trabalho, serão apresentados os fundamentos teóricos para validação e desenvolvimento do sistema proposto.
Primeiramente será dado enfoque para as características gerais dos microcontroladores, em seguida serão abordados os conceitos básicos sobre as modulações e antenas presentes no projeto, finalizando com protocolos de controle de câmera speed dome.
2.1 MICROCONTROLADORES
No sistema implementado, um dos componentes com maior importância é o microcontrolador, que será o elemento central de nosso sistema, pois é nele que será realizado todo o controle e automação do conjunto implantado.
Define-se microcontrolador como um componente eletrônico, composto por uma camada de firmware, utilizado no controle de processos lógicos. Este componente é programável, portanto o controle mencionado é feito de forma estruturada em um programa, e gravado no componente. Posteriormente, quando o mesmo for ligado, o programa interno é executado.
O microcontrolador tem como característica seu pequeno tamanho, e pode ser caracterizado como um pequeno computador, pois em uma única pastilha de silício encapsulada são encontrados internamente a memória de programa, memória de dados, portas de entrada e saída paralela, timers, contadores, comunicação serial, PWMs (Modulação por Largura de Pulso), conversores analógico-digitais entre outros. Sendo esta a principal característica que o diferencia do microprocessador (SOUZA, 2005).
Uma das grandes vantagens deste componente é o consumo de energia relativamente baixo, na ordem de nanowatts, tornando-o ideal para aplicações onde a exigência de consumo de energia é fator decisivo para a viabilidade do projeto. (ROBÓTICA LIVRE, 2014).
Neste trabalho serão utilizados os microcontroladores da família PIC16F, da Microchip (fabricante de microcontroladores), conforme pode-se observar na Figura 4 abaixo.
Figura 4–Microcontrolador PIC16F877A
Fonte: MICROCHIP, 2014
2.1.1 Microcontrolador PIC
PIC é o nome dado a linha de microcontroladores da fabricante Microchip, o significado desta sigla é Controlador Integrado de Periféricos, trata-se de um circuito integrado que contém todos os circuitos necessários para quaisquer implementações programáveis.
Conforme pesquisado no site da fabricante e reforçado pelo autor Antônio (2006, p.4), este componente dispõe dos seguintes dispositivos internos:
CPU (Unidade de Processamento Central) – Função de interpretar as instruções dos programas;
Memória PROM (Memória Programável somente para leitura) – Na qual irá memorizar de maneira permanente as instruções do programa;
Memória Ram (Memória de Acesso Aleatório) – Memoriza variáveis utilizadas pelo progama;
Entradas e saídas – Controla dispositivos externos.
Assim, a presença de todos estes dispositivos, oferece ao projetista uma gama de opções de projetos, além da vantagem de otimização se comparado aos circuitos analógicos (ANTÔNIO, 2006).
2.1.1.1 PIC 16F877A
O componente central trabalha com a arquitetura Havard, no qual é constituído de dois barramentos, um de dados de 8 bits e outro de instruções de 16 bits. Assim enquanto uma instrução é executada, a outra é buscada da memória, tornando o processamento mais rápido.
O barramento de instruções é sempre maior que 8 bits, já incluindo o dado e o local de operação, assim, apenas uma posição por memória é utilizada por instrução, gerando economia de memória de programa. Porém observa-se que, há um menor espaço para o
código de instrução propriamente dito, deste modo, utiliza-se da tecnologia RISC, responsável por reduzir o número de instruções dentro do componente. Tal fator torna o microcontrolador muito mais dinâmico, contudo, implica que diversas funções sejam construídas na programação para se reduzir o número de instruções, portanto cabe ao projetista dimensionar um programa com maior otimização, a fim de deixar o projeto eficiente e viável (SOUZA, 2005).
2.1.1.1.1 Hardware
Segue abaixo o diagrama com os pinos de entrada e saída do microcontrolador utilizado:
Figura 5–Diagrama de pinos - Microcontrolador PIC16F877A
Fonte: MICROCHIP, 2014
De acordo com o datasheet do componente (MICROCHIP, 2014), abaixo estão as principais características do componente especificado em trabalho:
Microcontrolador de 40 pinos;
33 portas configuráveis como entrada e saída; 15 interrupções disponíveis;
Memória de programação EPROM Flash; Memória interna EPROM 256 bytes; Memória de programa com 8K woeds; Memória ram 368 bytes;
Comunicações seriais: SPI, I2C e USART;
Conversores analógicos de 10 bits e comparadores analógicos.
2.1.1.1.1.1 Gerador de clock – Oscilador XT
No microcontrolador, todos os processos precisam de sincronização, portanto o
clock atende este objetivo, ou seja, ele atua basicamente como um sinal para sincronismo.
Quando os dispositivos de entrada e saída recebem o sinal para executar suas atividades, dá-se a esse acontecimento o nome de pulso. Em cada pulso, os dispositivos executam suas tarefas, param e vão para o próximo ciclo.
O gerador de Clock é um conjunto de dispositivos capaz de gerar pulsos, cuja duração é denominada ciclo, o número de vezes que o ciclo deste pulso se repete em um segundo, denomina a medida do clock, expressa em frequência, definida também para expressar a velocidade da CPU.
Portanto o oscilador é um circuito que mantem o funcionamento do microcontrolador, ele tem a função de fornecer clock ao componente, sendo este necessário para que o componente execute as instruções de um programa.
O oscilador XT (Oscilador de Cristal) será utilizado no presente trabalho, o mesmo utiliza um cristal comum para realizar seu clock. Esta configuração é composta de apenas um cristal e dois capacitores cerâmicos ligados ao microcontrolador, conforme podemos observar na figura abaixo (PEREIRA, 2007).
Figura 6–Gerador de Clock de um microcontrolador a partir de cristal de quartzo
Fonte: PEREIRA, 2007
2.1.1.1.2 Firmware
O microcontrolador é programável, portanto deve-se criar um programa que gere instruções para que o mesmo possa atender as atividades definidas pelo programador.
Um programa pode ser escrito em linguagem de programação assembler ou em C, assim precisa-se de um compilador que traduza esta programação a uma linguagem de baixo nível, que o microcontrolador possa entender.
O uso da linguagem C tem maior viabilidade devido a sua facilidade e construções de programas mais complexos, além de sua velocidade em projetos novos e portabilidade.
Outro aspecto a ser considerado é a sua eficiência, ou seja, quanto mais rápida a tradução do código gerador, maior ela é, sendo este aspecto muito importante para recursos tão limitados como nos microcontroladores PIC.
A linguagem de alto nível como C, permite que o programador dedique-se a programação e assim o compilador assume as tarefas de controle e localização de variáveis, operações lógicas e matemáticas, entre outros (NETO, 2002).
Na figura a seguir, segue diagrama de operações e arquivos que deve ser realizado para a tradução da linguagem C, para o código assembler no PIC a ser programado.
Figura 7–Diagrama de compilação de um programa e gravação de um PIC
Fonte: ANTÔNIO, 2006
Para programação de um microcontrolador PIC, necessitam-se de um editor (Mplab), um compilador (PCWH), e um programador (PICKIT).
2.2 MODULAÇÃO
A função de um sistema de comunicação é transmitir informações através de um meio ou canal, que separa a transmissão da recepção. A informação é frequentemente representada como um sinal de banda base. Para se transmitir apropriadamente, se desloca a faixa de frequência da banda base para outra faixa mais adequada a transmissão, e posteriormente retorna a faixa de frequência original após a recepção, este processo de alterar a informação original para transmitir adequadamente denomina-se modulação (HAYKIN, 2011).
O sinal alterado é chamado de sinal modulado, e o sinal da mensagem na banda base é denominado de sinal modulante, essa modulação pode ser feita alterando-se a amplitude, a fase ou a frequência de uma portadora (sinal com forma senoidal) de alta frequência, de acordo com a amplitude do sinal da mensagem.
Segue figura que ilustra o processo de modulação.
Figura 8–Modulação
Fonte: RADIOFONIA, 2005
A demodulação é o processo de extrair a mensagem da banda base da portadora de modo que ela possa ser processada e interpretada pelo receptor (RAPPAPORT, 2008).
De acordo com Haykin (2011, p.99) a modulação apresenta as seguintes características:
Deslocar o espectro do sinal para transmitir a banda de frequência mais apropriada, dando maior viabilidade e reduzindo custo no projeto de antenas; Produzir sinal modulado com espectro mais estreito ou mais largo que o original; Torna o sistema de transmissão mais robusto a ruídos e interferências;
As técnicas de transmissão dividem-se em dois grupos: as técnicas destinadas à transmissão de sinais analógicos e as de transmissão de dados digitais.
Neste capítulo será apresentado a modulação digital, sendo a mesma utilizada no sistema implementado.
2.2.1 Modulação Digital
Graças aos avanços da tecnologia, os sistemas de comunicação mais modernos utilizam técnicas de modulação digital, pois este oferece maior imunidade ao ruído e robustez a problemas no canal, multiplexação simplificada de várias formas de informação (áudio, vídeo e dados), maior segurança, além de menor custo (RAPPAPORT, 2008).
A modulação digital aborda técnicas de conversão de informação analógica para digital, tal como voz e vídeo, porém outras informações tem representação digital natural, assim são utilizadas técnicas para transmissão de dados digitais por um canal de banda base utilizando modulação (HAYKIN, 2011).
Para transmissão em banda base de dados digitais, exige-se a utilização de um canal passa-baixas com largura grande suficiente para acomodar o fluxo de dados, pois seu espectro é amplo em baixa frequência. Para a recepção, este fluxo de dados é modulado, e projeta-se um canal passa-faixa com limites de frequência fixos para a seleção da informação desejada, afim de que não haja perdas de informação. Esta modulação na recepção do fluxo de dados é chamada de ASK-OOK (Chaveamento de Amplitude), onde há uma comutação (chaveamento) na amplitude de acordo com os dados de entrada (HAYKIN, 2011).
No sistema de comunicação sem fio do presente trabalho, a modulação ASK-OOK é de extrema importância, portanto a seguir serão fundamentados os princípios básicos da mesma.
2.2.1.1 Modulação ASK-OOK
De acordo com Farias (2014, p.1), a modulação ASK/OOK apresenta as características a seguir:
Facilidade no processo de modulação e demodulação; Pequena largura de faixa;
Assim, devido a tais características, recomenda-se a utilização desta modulação em locais onde haja pouco ruído e quando o baixo custo é essencial. (FARIAS, 2014).
Na modulação ASK/OOK, em que um dos dois níveis é zero, o sinal corresponde a uma senóide interrompida, e por isso é classificado como OOK, ou seja, ON-OFF Keying (ver figura 9). No sistema ASK-OOK, o símbolo binário 1 é representado pela transmissão de uma onda portadora senoidal de amplitude e frequência fixas para duração de bit de T segundos (HAYKIN, 2011).
Figura 9–Modulação ASK-OOK
Fonte: ITISRN, 2014
2.2.1.2 Modulação por largura de pulso (PWM)
Para o controle de potência das luminárias, foi utilizada a modulação PWM , esta é muito utilizada hoje em dia nas mais diversas aplicações, pois esta técnica é base fundamental para projetos de circuitos nobreak, conversor de energia estático, fontes chaveadas, controle da tensão, do fator de potência, da distorção harmônica, controle de corrente, de frequência, converter energia alternada para contínua e vice-versa, e elevar ou abaixar corrente contínua, as possibilidades são muitas (FIGUEIRA, 2006).
O uso do PWM permite o controle de potência entregue a carga, este o faz de maneira inteligente, e com menor dissipação de calor se comparar com controles lineares como o reostato.
Para melhor entendimento deste, pode-se fazer analogia com um circuito composto de um interruptor de ação muito rápida e de uma carga a ser controlada, quando o interruptor está aberto a potência aplicada é nula, em contrapartida quando o interruptor encontra-se ligado a potência aplicada é máxima.
Com o objetivo de se obter metade da potência sobre a carga, pode-se chavear o sinal sobre a mesma de modo a obter uma razão cíclica de 50%, verifica-se, portanto que em média o circuito ficará metade do tempo com corrente e a outra metade sem corrente.
Conforme observa-se figura abaixo:
Figura 10–Potência média entregue a carga
Fonte: BRAGA, 2013
Pode-se observar que o interruptor fechado pode definir a largura de pulso pelo tempo em que ele fica nesta condição, e um intervalo entre pulsos pelo tempo em que ele fica aberto. Os dois tempos juntos definem o período e, portanto, uma frequência de controle.
A relação entre o tempo do pulso e a duração de um ciclo completo de operação do interruptor define ainda o ciclo ativo, conforme é mostrado na Figura 11.
Figura 11–Ciclo Ativo
Fonte: FIGUEIRA, 2006
Variando a largura do pulso e o intervalo, têm-se ciclos ativos diferentes, pode-se, portanto fazer o controle da potência média aplicada a uma carga, conforme indica a figura abaixo.
Figura 12 – Controle de potência pelo ciclo
Fonte: BRAGA, 2013
Este princípio é usado justamente no controle PWM, variar a largura do pulso de modo a controlar o ciclo ativo do sinal aplicado a uma carga e, com isso, a potência aplicada a ela.
Na prática, se utiliza um dispositivo de estado sólido que possa chavear o circuito rapidamente, no caso se faz o uso de um transistor bipolar ou um MOSFET.
Ao dispositivo é então ligado um oscilador que possa ter seu ciclo controlado numa grande faixa de valores (BRAGA, 2013).
2.3 ANTENAS
No projeto foram utilizadas antenas de transmissão e recepção para o envio de dados, logo a antena é o dispositivo cuja função é transmitir ou receber ondas eletromagnéticas por meio de guias de ondas, essas ondas são convertidas em sinais elétricos que são amplificados, codificados ou decodificados. Portanto, sua função é primordial em qualquer comunicação onde exista radiofrequência (BALANIS, 2005).
De acordo com o autor, na transmissão de ondas eletromagnéticas a antena está em último lugar na transmissão e é o primeiro dispositivo que recebe os sinais emitidos, não importando em que frequência do espectro seja aplicada, sempre serão usados os mesmos princípios físicos da teoria eletromagnética, ela é constante, imutável e invariável.
2.3.1 Antena loop
Para o circuito de transmissão do conjunto, foi prevista uma antena tipo loop, levando em conta que as antenas são pequenas em frequência de micro-ondas, elas podem ser implementadas convenientemente direto em uma placa de circuito impresso, que também contém CIs (circuito integrado) do transmissor e do receptor e os circuitos relacionados.
A antena loop é um laço fechado, de formato retangular ou circular, conforme imagem a seguir:
Figura 13–Antena tipo loop
Fonte: BALANIS, 2005
O autor supracitado afirma que o comprimento do loop em geral é de 0,1λ (comprimento de onda) a λ na frequência operação. O loop em geral é ressonante com um capacitor paralelo. Devido à impedância característica do circuito ser muito baixa, cerca de 10 Ω em 0,5λ, mas tão elevada quanto 120 Ω para λ, é usada alguma forma de linha de transmissão microstrip (fita condutora construída sobre uma placa dielétrica) para casar a impedância do receptor ou transmissor. Os loops são relativamente ineficientes, mas são eficazes em aplicações de curto alcance, como aplicações para abertura de portões de garagem e para dispositivos de controle remoto por rádio (RKE) em carros e pagers.
2.3.2 Antena monopolo de ¼ de onda
Para o circuito de recepção do conjunto sem fio estudado, foi prevista uma antena de recepção do tipo monopolo de ¼ de onda, esta antena, na compreensão de Balanis, quando
excitada por uma fonte em sua base e colocada sobre um plano de terra condutor, conforme indica a figura 14(a), apresenta o mesmo padrão de radiação, na região acima do plano de terra, que um dipolo de meia onda no espaço livre. Isso ocorre porque o plano condutor pode ser substituído pela imagem do monopolo de ¼ de onda, conforme ilustrado figura 14(b) a seguir:
Figura 14–Antena monopolo ¼ de onda
Fonte: BALANIS, 2005
Portanto, um monopolo de ¼ de onda acima de um plano condutor é equivalente a um dipolo de meia onda completo radiando no espaço livre. A abordagem usada para o monopolo de ¼ de onda também é válida para qualquer antena de fio vertical colocada acima de um plano condutor.
Para o cálculo do tamanho da antena, leva-se em consideração o comprimento de onda.
Segue abaixo o dimensionamento da antena, de acordo com Balanis (2005):
λ =c/f (1.1)
Sendo:
λ = Comprimento
f= frequência de trabalho c= velocidade da luz em m/s
Como a antena projetada trata-se de um quarto de onda, é utilizada a seguinte fórmula:
λ =(c/f)/4 (1.2)
2.4 CIRCUITO FECHADO DE TV (CFTV)
No sistema a ser projetado, é feito o controle automático e remoto de uma câmera CFTV (Circuito Fechado de TV), portanto neste tópico será apresentado o conceito do sistema CFTV e o protocolo utilizado para o controle da câmera.
O autor Damjanovski (2005) afirma que, o circuito fechado de CFTV é um sistema de televisionamento que distribui sinais originados de câmeras, distribuídas ao longo de uma área, para um ponto de supervisão determinado.
Atualmente é muito utilizado para propósitos de segurança e vigilância, contudo pode ser utilizado em outros campos como laboratórios, escolas, hospitais e controle de processos de produção.
O sistema CFTV pode gravar atividades e movimentações de pessoas em um determinado ambiente, para serem visualizadas posteriormente no próprio local ou remotamente.
O circuito fechado de TV é composto normalmente de câmeras de vídeo (produz o sinal de vídeo), cabos ou transmissores sem fio (transmite o sinal) e monitores (visualiza o sinal de vídeo) (DAMJANOVSKI, 2005).
2.4.1 Câmeras de CFTV
São equipamentos que convertem níveis de iluminação em sinais elétricos, seguindo certos padrões. As câmeras possuem sensores que são atingidos pela luz, assim esta cria a imagem através dos níveis de luz capturados do ambiente, essa imagem é captada, processada e posteriormente transmitida para o sistema de visualização ou armazenamento, conforme indicado na Figura 15 (HARWOOD, 2008).
Figura 15–Diagrama de blocos de câmera CFTV
Fonte: PERES, 2009
2.4.1.1 Controle PTZ (PAN, TIL, ZOOM)
Existem diversos tipos de câmeras, e uma das tecnologias mais utilizadas hoje em dia, são as câmeras que utilizam a tecnologia de controle PTZ (Pan, Tilt e Zoom), também conhecidas como speed dome.
Segundo Harwood (2008), câmeras com tecnologia PTZ, são controladas a partir de mesas controladoras com joystick ou DVRs (Digital Video Recorder), estas câmeras possuem três conjuntos de cabos, sendo um de alimentação, um que transmite o sinal de vídeo e outro de controle.
Os sinais de controle são enviados da mesa controladora ou do DVR usando a interface serial RS-485, esta interface define as características elétricas de geradores e receptores de sinais digitais. Quando várias câmeras com controle PTZ compõe um sistema de monitoramento, cada uma recebe uma identificação para que haja controle da câmera correta, esta identificação é configurada dentro das câmeras, e nela pode-se escolher o protocolo de comunicação a ser utilizado. Há diversos protocolos de controle utilizados para comunicação entre DVRs ou mesas controladoras e câmeras. (INTERCONTI, 2012).
O controle da PTZ da câmera foi feita de maneira remota e automática, trazendo grande benefício para a automação do projeto estudado.
2.4.1.1.1 Protocolo Pelco D
Para a movimentação da câmera, foi utilizado o protocolo Pelco D, e todas as outras funcionalidades de automação do sistema foram baseados no mesmo protocolo.
O protocolo Pelco D tem em sua composição 7 bytes, sendo que cada byte tem uma função específica para controle da câmera, conforme a figura abaixo:
Figura 16–Composição protocolo Pelco D
Fonte: PELCO, 1999
O Byte 1 sempre terá o valor FF, fixado pela Pelco como valor para determinar a sincronia entre o controlador e o dispositivo PTZ controlado.
O Byte 2 comporta o endereço, dentro de um barramento, do dispositivo a ser controlado. Os endereços podem variar de 1 a 255.
Os Bytes 3 e 4 são os mais importantes para o controle da câmera. São nestes
bytes que contém os comandos do tipo: Abre e fecha íris, zoom, foco, movimento para
esquerda, para direita, para cima, para baixo entre outros.
A figura 17 indica a ação que cada bit exerce dentro dos bytes 3 e 4.
Figura 17–Composição dos bytes 3 e 4
Fonte: PELCO, 1999
O byte 5 possui comandos que determinam a velocidade da movimentação horizontal do dispositivo PTZ. Os valores variam de 00h (dispositivo parado para movimentação horizontal) para 3F (velocidade rápida), podendo também assumir o valor FFh (velocidade turbo).
O byte 6 é semelhante ao 5, sendo responsável, porém, pelos comandos movimentação vertical do dispositivo. Seu range varia de 00h (dispositivo parado para movimento vertical) a 3Fh (máxima velocidade de movimentação vertical).
Por último, tem-se o byte 7 que comporta o checksum, cuja função é verificar se os comandos recebidos pelos bytes anteriores estão ou não íntegros (PELCO, 1999).
3 DESENVOLVIMENTO
Neste capítulo será abordado o projeto do sistema de comunicação sem fio e seus respectivos controles, tendo como principal foco, cumprir os objetivos propostos no capítulo 1.
O propósito deste trabalho é construir um sistema autônomo microcontrolado, utilizando tecnologia sem fio para a comunicação do controle e dos sensores até o receptor central, além da utilização da comunicação RS-485, entre o receptor e as placas automação.
Este sistema poderá acionar diversas cargas, como lâmpadas eletrônicas, luminárias de leds, controle de portões eletrônicos, além de diversas opções de acionamento, sendo assim foi necessário projetar e confeccionar placas de circuitos eletrônicos, bem como o desenvolvimento de firmwares específicos para cada função.
Quanto a estrutura do desenvolvimento, primeiramente será explanado o funcionamento de maneira introdutória, demonstrando o conceito geral, elucidando sua utilização e a integração das funcionalidades propostas.
Posteriormente será apresentado no formato de diagrama em blocos todas as peças fundamentais do sistema, sendo cada bloco responsável por uma função, este bloco será detalhado através de esquemas elétrico.
Será abordado didaticamente o funcionamento dos firmwares que estarão gravados nos microcontroladores de cada bloco do sistema, exemplificando através das funções principais do firmware.
3.1 VISÃO GERAL
Conforme apresentado em capítulos anteriores, utilizou-se como referência para o desenvolvimento do projeto proposto, o ambiente apresentado na ilustração a seguir.
Figura 18–Planta Baixa com o sistema (Ambiente genérico)
Fonte: Elaboração do autor
O sistema proporciona através de controle remoto o acionamento, controle de potência e temporização das luminárias, além de controle remoto de uma câmera speed dome.
Também conta com o acionamento automático da câmera através do sensor, sendo a câmera direcionada onde ocorreu a violação. Abaixo é exibido um diagrama em blocos funcional do projeto proposto.
Figura 19–Diagrama de bloco funcional da solução proposta
Analisando o diagrama do ponto de vista funcional, verifica-se que o acionamento é feito através de teclas ou sensores, por conseguinte, o controle remoto ou sensor emitirá os comandos para o receptor pelo sistema sem fio na frequência de 433,92MHz, cabendo ao receptor reconhecer o padrão de transmissão e verificar qual função foi acionada, enviando um comando para os blocos de controle (câmera, PWM, iluminação e timmer).
A sequência de funcionamento do conjunto será: transmissão, recepção e automação.
Nos capítulos que seguem será apresentado o projeto do controle transmissor e receptor sem fio, além dos blocos de iluminação (relé), PWM, timmer e controle de câmera (speed dome).
3.2 CONTROLE TRANSMISSOR
Conforme mencionado no capítulo 3.1, o controle transmissor é o primeiro elemento do projeto quando seguida a sequência de funcionamento, este é o elemento emissor de informações do usuário para o receptor.
Segue abaixo o diagrama de blocos do transmissor.
Figura 20–Diagrama de blocos funcional do transmissor
Fonte: Elaboração do autor
O projeto do transmissor é composto pelos blocos de interface botões, codificador e tratador de dados, sinalização, alimentação e transmissor RF.
O funcionamento básico do controle se resume no comando dado pelo usuário, deste modo, o codificador recebe este comando na forma de mensagem, codifica a mesma e envia ao transmissor, o transmissor modula e envia a informação ao receptor.
O bloco de sinalização tem a função de indicar ao usuário o modo de funcionamento e o bloco de alimentação mantém o controle transmissor com energia.
Nos próximos tópicos será apresentado o dimensionamento e funcionamento dos circuitos que compõe o diagrama de blocos do transmissor.
3.2.1 Interface usuário
Apesar de simples, este bloco, pode ser considerado de grande importância para o projeto, pois, ele define o modo de funcionamento e apresenta o layout para o usuário.
No bloco de interface, o usuário terá visualização dos comandos do sistema, portanto, compete neste bloco, apresentar todas as funções para o mesmo interagir com o sistema sem dificuldades.
A interface foi projetada para que comportasse todas as funções com o mínimo de teclas, devido ao tamanho do controle e limitações de hardware.
Segue abaixo a disposição de teclas e suas funções.
Figura 21–Interface do controle transmissor
O controle remoto do sistema é composto pela tecla “Modo”, que seleciona o modo de funcionamento (Relé, câmera, PWM, Timmer). Os leds sinalizam o modo selecionado.
Acionando a tecla “Modo”, o led câmera ligará, liberando acesso ao controle da câmera, assim pode-se controlar seu movimento e zoom remotamente, ou direcionando esta para um local pré-gravado na memória, agilizando a visualização para um local que necessite de constante vigilância.
Ao acionar a tecla “Modo” novamente, o led PWM ligará, liberando o controle de potência da luminária, ajustando remotamente a iluminação nos percentuais 0%, 25%, 50%, 75% e 100%.
Num novo acionamento da tecla “Modo”, o led relé ligará, liberando para o controle as cinco saídas de relé, podendo ligar e desligar quaisquer cargas ligadas ao sistema remotamente. Para este projeto foi escolhida como carga a iluminação do ambiente.
Por último, ao pressionar a tecla “Modo”, o led timmer sinaliza o funcionamento do controle de temporização da iluminação, esta será desligada depois de um tempo pré-programado em 10, 30, 60, 90 e 120 minutos.
Foi previsto para o controle transmissor um modo a mais, caso opte pelo acréscimo de função.
Figura 22–Esquema elétrico da interface do controle
Fonte: Elaboração do autor
Constata-se na Figura 22, que a interface utiliza teclas, e devem ter ligações elétricas ao negativo (GND), nas entradas do microcontrolador, além de resistores pull-ups nos pinos de entradas indicados, desta forma, quando o usuário pressionar uma das teclas, fecha-se instantaneamente o contato, o microcontrolador recebe esta informação, codifica e envia ao circuito RF.
3.2.2 Codificador e tratador de dados
O codificador é o principal componente do controle transmissor, pois é nele que são recebidas as informações do usuário, o mesmo codifica e envia estas informações para o circuito RF transmissor.
Figura 23–Esquema elétrico do codificador
Fonte: MICROCHIP, 2014
Pode-se observar na Figura 23, que o circuito do codificador trata-se da ligação do microcontrolador PIC16F877A, já mencionado no subcapítulo 2.1.1.1.1.1. Nele é indicada a ligação do gerador de clock junto ao microcontrolador, os valores dos capacitores e do cristal são indicados no datasheet do microcontrolador.
3.2.2.1 Sinalização
Este bloco tem a função de indicar ao usuário o modo de funcionamento, servindo como um elo de comunicação da interface com o usuário, sinalizando o funcionamento do transmissor.
Em cada pino indicado, conforme esquemático abaixo, deverá ser ligado um led, além de um resistor que limita a corrente, cada led indica o modo de funcionamento.
Figura 24–Esquema elétrico da sinalização
Fonte: Elaborado pelo autor
3.2.2.2 Alimentação do microcontrolador
A alimentação do microcontrolador será feita com uma bateria de 9V, e terá ligações nos pinos VDD (11 e 31) e VSS (12 e 32), todavia a tensão de alimentação do microcontrolador não deve exceder os 5V, portando foi utilizado um CI (circuito integrado) regulador de tensão LM7805.
Figura 25–Alimentação do codificador/microcontrolador
Fonte: Elaborado pelo autor
3.2.2.3 Funcionamento lógico do transmissor
O transmissor trabalha com modo de operação Broadcast, ou seja, este enviará a mensagem a todo e qualquer receptor que esteja ao seu alcance, o transmissor deste projeto opera com mensagens de 28 bits e obedece ao seguinte padrão de transmissão:
Figura 26–Comunicação transmissor
Fonte: HOLTEK, 2014
Na figura 26, expõe-se o padrão de transmissão composto pelo código piloto, a mensagem de 28 bits.
3.2.2.4 Projeto do firmware do transmissor
O projeto do firmware deve levar em consideração a lógica de funcionamento do transmissor, para isso segue-se a sequência de funcionamento, portanto o primeiro passo é indicar no firmware, quais saídas e entradas serão acionadas no processo. No entanto, indicar que saída C7 irá ser acionada torna a programação nada intuitiva e casada com as informações do circuito, o que pode gerar erro do projetista, assim deve-se declarar o que cada saída representa no sistema, deixando o firmware mais didático.
Conforme segue exemplo abaixo:
Figura 27–Declaração de entradas e saídas no firmware
Fonte: Elaborado pelo autor
No firmware também deve ser declarada as funções, como é o caso do PWM, controle de câmera, relé e timmer.
Assim, para explanação geral do firmware será abordada uma função que demonstra o funcionamento do controle, as demais funções seguem o mesmo princípio de funcionamento.
Figura 28–Seleção da função modo
Conforme abordado no subcapítulo 3.2.1, foi abordado o funcionamento da seleção do modo, conforme verifica-se na Figura 28, quando o seletor obter valor igual a 1, entra-se na função da câmera speed dome, ou seja, o usuário acionou a tecla “Modo” e entrou na função de controle da câmera.
Figura 29 – Controle da câmera
Fonte: Elaborado pelo autor
Ao entrar na função speed dome, tem várias de possibilidades de controle, assim na Figura 29, indica-se que ao selecionar a tecla direita, declarada como acionamento da saída B0 do microcontrolador, é enviada a informação 0x685AE15 para a função transmitir.
Na função “transmitir” apresenta-se o seguinte código:
Figura 30–Codificação e transmissão
Fonte: Elaborado pelo autor
Conforme determinado na Figura 30, aciona-se um led nesta função, servindo como confirmação que o sinal está sendo enviado para o transmissor, verifica-se também a lógica de programação acima segue a codificação de bit 1 e bit 0 conforme indicado na figura abaixo:
Figura 31–Codificação de bits 1 e zero
Fonte: HOLTEK, 2014
O firmware recebe a informação binária e a codifica com o padrão mostrado na figura acima, exemplificando, se o bit for 0, ele deverá ter sinal baixo (0V) num delay de 480 us e sinal alto (5V) num delay de 960 us, conforme a duração mostrada na Figura 31. Esta codificação de sinal alto e baixo é enviada ao circuito RF, responsável pelo envio ao receptor.
Segue abaixo um diagrama lógico geral do firmware de transmissão:
Figura 32–Diagrama lógico geral
Fonte: HOLTEK, 2014
3.2.3 Circuito RF transmissor
O circuito RF é o elo que liga o codificador com o receptor, este tem como função enviar a informação do transmissor ao receptor via sinal sem fio.
Figura 33–Esquema elétrico circuito RF
Fonte: HOLTEK, 2014
Conforme Figura 33, aborda-se um circuito com led paralelo ao circuito RF na saída do microcontrolador, servindo para sinalizar que o microcontrolador está enviando sinal para o circuito RF.
No circuito RF, o primeiro estágio é a modulação ASK/OOK, composto pelo resistor R7, U2 e Q1. No resistor (R7) chegará o sinal codificado do microcontrolador, este resistor limita a corrente de base no transistor H10LT1 (Q1), em paralelo ao transistor é ligado um ressonador SAW (U2), responsável por gerar sinal senoidal puro na frequência de 433,92MHz.
O segundo estágio é o de amplificação composto pelo resistor (R8), e os capacitores (C1 e C2), estes dão ao circuito RF um ganho na potência de transmissão.
O terceiro estágio é a transmissão, composta pela antena L2, indutor L1 e capacitor C3. O sinal oriundo do transistor vai para uma antena tipo loop (L2), esta será confeccionada em placa, e deve ter dimensões de 3,5cm de comprimento por 0,07 cm de espessura, conforme dados da MICREL (empresa de CIs codificadores e decodificadores).
Na placa em paralelo com a antena, consta um indutor (L1) e capacitor (C3), cuja função, é que o circuito e placa, trabalhem com a mesma impedância da antena, trazendo maior qualidade de transmissão.
Todos os valores de capacitor e indutores foram pesquisados nos datasheets da HOLTEK (empresa de CIs codificadores).
Figura 34–Esquema elétrico Transmissor
No próximo tópico será abordado detalhes de projeto e dimensionamento do receptor, incluindo o firmware nele gravado e sua comunicação com os blocos de automação.
3.3 RECEPTOR
O receptor recebe o sinal sem fio na frequência de 433,92 MHz, além disso, integra e gerencia todos os módulos de automação.
O receptor gerencia todas as informações recebidas e autenticadas através do canal de comunicação RF enviadas pelo sinal sem fio, e encaminhará para as placas de automação relé, speed dome, PWM e timmer. Todas as placas ligadas no barramento recebem a informação, mas somente a placa que se identifica com o endereço do pacote, executa os comandos contidos no pacote, caso o comando recebido necessite de uma resposta, ela deve responder após executar a função solicitada dentro do tempo programado de resposta.
O receptor pode ser dividido em três blocos conforme indicado abaixo:
Figura 35–Diagrama de blocos receptor
Fonte: Elaborado pelo autor
.
O receptor recebe o sinal de frequência 433,92MHz, este por sua vez, demodulará o sinal e enviará ao decodificador de dados que receberá a mensagem, e fará o tratamento de dados se a informação respeitar o padrão de transmissão mostrado na Figura 26 do subcapítulo 3.2.2.3, sendo assim, se confirmado o padrão de transmissão, o decodificador e tratador de dados envia os dados para o conversor TTL/RS485, convertendo os padrões de sinais TTL do microcontrolador para RS-485.
Por conseguinte, o conversor enviará e receberá respostas das placas de automação, ligadas em paralelo, com exceção da câmera speed dome, pois neste projeto ela não envia respostas.
3.3.1 Receptor e demodulador de sinal
O receptor e demodulador de sinal recebe todo e qualquer sinal na frequência de 433,92 MHz, e têm a função de demodula o sinal, traduzindo para banda base.
Segue na figura abaixo o esquema elétrico do receptor e demodulador de sinal.
Figura 36–Esquema elétrico receptor e demodulador de sinal
Fonte: MICREL, 2005
De acordo com a fundamentação do subcapítulo 2.3.2, foi obtido uma antena de tamanho de 17 cm para a frequência 433,92 MHz.
No pino ANT está entrada de recepção RF, nela a antena é conectada ao capacitor C1 em paralelo com um indutor L1, estes fazem o casamento de impedância do circuito com a antena de 50 Ω, reduzindo a possibilidade de perdas na recepção, seus valores variam de acordo com a frequência de trabalho e foram obtidos no datasheet do CI MICRF010.
O CI MICRF010 (U2), faz todo o processo de demodulação do sinal, é composto pelos pinos ANT, CTH, GAG SEL 0, OSC, VDD e D0.
O pino OSC faz a função de clock, ou seja, deve-se calcular o valor do cristal a ser conectado neste pino, porém, deve-se saber a frequência de referência do oscilador, como trabalha-se com frequência de 433,92 MHz, é obtido o valor de Cristal de 13,49MHz, de acordo com datasheet da Micrel.
O pino CTH extrai valor DC (corrente contínua) do sinal demodulado para fins de divisão de nível lógico, neste pino é ligado um capacitor externo (CTH) em série com uma resistência interna (RSC) do microcontrolador.
De acordo com a Micrel (2005), para saber a resistência interna do microcontrolador apresenta-se a seguinte fórmula:
RSC = (9,7941/valor do crystal) x 150 (1.3)
RSC = 108,9 Ω
Para o valor do capacitor CTH, segue abaixo a fórmula:
CTH = τ/RSC (1.4)
Τ = 0,24 ms (valores indicados no datasheet do MICRF010 recomenda-se o tempo igual a 5 vezes a taxa de bits)
CTH = 0,24 ms / 108,9 Ω = 2,2 uF
No pino GAG liga-se um capacitor C4 em série, de 4,7uF, com a finalidade de aumentar o alcance de recepção. No pino VDD liga-se paralelamente a alimentação de 5V em um capacitor que reduz os ruídos provenientes do transformador da fonte chaveada, enquanto no pino VSS é ligado ao terra (GND).
O pino SEL0 de entrada é a única entrada de controle, sendo usado na operação de
polling (trabalha com várias operações alocando um espaço de tempo) para diminuir o
consumo de corrente contínua.
No pino D0 é a saída digital do MICRF010, nesta será ligado o decodificador e tratador de dados.
3.3.2 Decodificador e tratador de dados
O decodificador é o principal componente do receptor projetado, pois é nele que chega as informações enviadas pelo CI MICRF010, o mesmo decodifica e envia para as placas de automação e câmera.
O componente utilizado para o decodificador é o PIC16F877, e tem a mesma ligação que o codificador do subcapítulo 3.2.2, portanto o cristal e a alimentação terão as mesmas características já apresentadas.
