DEPARTAMENTOACADÊMICODEELETROTÉCNICA ENGENHARIAELÉTRICA
PAULOCESARDEOLIVEIRAKOPYCKI
CONTROLADOR INTELIGENTE PARA CIRCUITO ELÉTRICO DE ILUMINAÇÃO
TRABALHODECONCLUSÃODECURSO
CURITIBA 2020
CONTROLADOR INTELIGENTE PARA CIRCUITO ELETRICO DE ILUMINACAO
CURITIBA 2020
Trabalho de conclusão de curso de Graduação em Engenharia Elétrica apresentado à disciplina de Trabalho de conclusão de curso 2, do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) como requisito para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. Bruno Sens Chang Coorientador: Prof. Dr. Uilian José Dreyer
A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia Elétrica
CONTROLADORINTELIGENTEPARACIRCUITOELÉTRICODEILUMINAÇÃO
Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro Eletricista, do curso de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).
Curitiba, 17 de Agosto de 2020.
____________________________________
Prof. Antônio Carlos Pinho, Doutor Coordenador de Curso de Engenharia Elétrica
____________________________________
Profa. Annemarlen Gehrke Castagna, Mestre Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso
de Engenharia Elétrica do DAELT
ORIENTAÇÃO
________________________________
Bruno Sens Chang, Prof. Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Orientador
________________________________
Uilian José Dreyer, Prof. Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Coorientador
BANCA EXAMINADORA
________________________________
Hermes Irineu Del Monego, Prof. Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
________________________________
Uilian José Dreyer, Prof. Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
______________________________
Bruno Sens Chang, Prof. Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Dedico este trabalho aos meus pais Lauro e Cleuza Kopycki
AGRADECIMENTO
Quero primeiramente agradecer a Deus, pela coragem e pela força em todos os momentos para que eu conseguisse chegar até aqui.
A Nossa Senhora Aparecida, que suportou minhas orações e proporcionou com delicadeza e carinho um caminho seguro.
Aos meus pais Lauro Kopycki e Cleuza de Oliveira Kopycki, que me incentivaram, apoiaram e acreditaram em mim.
Ao meu orientador professor Dr. Bruno Sens Chang, que sempre atencioso e dedicado confiou em mim para a realização deste trabalho.
Ao meu coorientador professor Dr. Uilian José Dreyer que sempre me incentivou e motivou para que este projeto pudesse dar certo.
A todos os meus amigos e demais familiares que sempre estiveram com suas orações e palavras de motivação me apoiando até o final.
E a todos aos professores da UTFPR que contribuíram nesta caminhada.
RESUMO
KOPYCKI, Paulo Cesar de Oliveira. Controlador inteligente para circuito elétrico de iluminação. 2020. 90 f. Trabalho de conclusão de curso (Graduação - Curso de Engenharia Elétrica), Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020.
Com a tendência pela qualidade de vida e aliado a tecnologia, este trabalho discute sobre o desenvolvimento de um protótipo capaz de realizar acionamentos elétricos de circuitos de iluminação sem a necessidade de teclas mecânicas ou presença física no local, tornando capaz acionamentos através de dispositivos móveis como smartphones, tablets ou computadores com uso de aplicativo móvel, facilitando o controle de áreas.
Complementado por pesquisas, o estudo levantou requisitos técnicos e funcionais do produto, levando em consideração sua montagem de hardware e suas configurações de software. Traz discussões sobre os problemas encontrados, propostas de melhorias e vantagens.
Palavras-chave: Automação residencial. Engenharia de produto. Comunicação sem fio.
ABSTRACT
KOPYCKI, Paulo Cesar de Oliveira. Intelligent controller for electrical lighting circuit.
2020. 90 f. Trabalho de conclusão de curso (Graduação - Curso de Engenharia Elétrica), Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020.
With the tendency for the quality of life and allied to technology, this work proposes the development of a prototype able to carry out electric actuations of lighting circuits without the need for mechanical keys or physical presence, allowing actuations through mobile devices like smartphones, tablets or computers, and facilitating area control. The study, complemented by inquiries, discussed technical and functional requisites of the product, considering hardware assembly and software configuration. This work also discusses the problems found and suggests improvements.
Keywords: Home automation, product engineering, wireless communication
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Sonoff Basic R2. ... 18
Figura 2 - Sonoff D1. ... 19
Figura 3 - Lutron Caseta. ... 20
Figura 4 - Lâmpada inteligente. ... 21
Figura 5 - Diagrama de blocos básico do protótipo. ... 23
Figura 6 - Módulo NRF24L01+. ... 29
Figura 7 - Diagrama de bloco do NRF24L01+. ... 30
Figura 8 - Diagrama controle de estado do RF. ... 31
Figura 9 - Raspberry Pi 3 Model B+. ... 32
Figura 10 - Pinos GPIO Raspberry PI 3 Model B+. ... 33
Figura 11 - Detalhamento dos pinos GPIO do Raspberry Pi 3 Model B+. ... 34
Figura 12 - Dimensões do Raspberry Pi 3 Model B+. ... 35
Figura 13 - Case para Raspberry Pi 3 Model B+. ... 35
Figura 14 - Descrição da pinagem do Atmega328. ... 36
Figura 15 - Microcontrolador Microchip Attiny44A. ... 37
Figura 16 - Pinagem NFR24L01+. ... 38
Figura 17 - Pinagem do microcontrolador Attiny44A. ... 39
Figura 18 - Arduino Uno. ... 40
Figura 19 - Conexão para gravação do Attiny44A no Arduino Uno. ... 41
Figura 20 - Sketch para função programador do Arduino Uno. ... 41
Figura 21 – Caminho para a escolha do Attiny44A. ... 42
Figura 22 - Escolha da versão SMD do Attiny44A. ... 42
Figura 23 - Determinação do Arduino como ISP. ... 43
Figura 24 - Função para gravação do Attiny44A. ... 43
Figura 25 - Circuito para dimerização. ... 46
Figura 26 - Pulso dimmer x Onda senoidal. ... 46
Figura 27 - Circuito retificador de meia onda... 48
Figura 28 - Conversor DC-DC ... 49
Figura 29 - Layout da PCI, vista TOP. ... 50
Figura 30 - Layout de trilhas e ilhas da PCI... 50
Figura 31 – Bottom layer. ... 51
Figura 32 - Criação de arquivo de furação da placa. ... 52
Figura 33 - Layout Bottom da placa. ... 52
Figura 34 - Imagem tridimensional da PCI. ... 52
Figura 35 – Central ... 53
Figura 36 - Diagrama básico do projeto. ... 54
Figura 37 - Interface do programa PuTTy. ... 55
Figura 38 - Programação Transmitter. ... 57
Figura 39 - Apresentação do OpenHab ao iniciar o programa. ... 60
Figura 40 - Apresentação da aba Items. ... 60
Figura 41 - Tela para obtenção de bibliotecas. ... 61
Figura 42 - Programação do Sitemaps do OpenHab. ... 62
Figura 43 - Apresentação da programação Items do OpenHab. ... 62
Figura 44 - Relação da API com demais componentes. ... 64
Figura 45 - Acesso via http dos dados salvos. ... 65
Figura 46 - Programação para Server. ... 66
Figura 47 - Diagrama de operação. ... 67
Figura 48 - Orçamento de PCI. ... 68
Figura 49 - Apresentação do protótipo montado. ... 70
Figura 50 - Verso da placa protótipo. ... 71
Figura 51 - PCI para Attiny44a. ... 72
Figura 52 - PCI desenvolvida após melhorias. ... 73
Figura 53 - Folha para impressão a laser. ... 73
Figura 54 - PCI completa. ... 74
Figura 55 - Lâmpada dimerizável utilizada no projeto. ... 75
Figura 56 - Detalhe da descrição da lâmpada. ... 75
Figura 57 - Bancada de ensaios. ... 78
Figura 58 - Apresentação da tela do aplicativo com suas fases de acesso. ... 78
Figura 59 - Tela inicial do OpenHab no computador. ... 79
Figura 60 - Tela via computador para controle das lâmpadas... 79
Figura 61 - Intensidade luminosa em situações diferentes. ... 80
Figura 62 - Amazon Alexa. ... 81
Figura 63 - Relação tensão por intensidade luminosa. ... 82
Figura 64 - Relação de Lux por variação de porcentagem no app. ... 83
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Relação de ligação Attiny44A x NRF24L01+. ... 39 Tabela 2 - Valores para produção da placa... 69 Tabela 3 - Preços para confecção do protótipo. ... 76
LISTA DE SIGLAS
ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações API Application Programming Interface
CE Chip Enable
CI Circuito integrado
CS Chip Select
DAELT Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory EPE Empresa de Pesquisa Energética
GND Ground
GPIO General Purpose Input / Output HTTP HyperText Transfer Protocol
IDE Integrated Development Environment IP Internet Protocol
IPI Imposto sobre Produto Industrializado ISP In-System Programmer
JSON JavaScript Object Notation
KB Kilobytes
LAN Local Area Network LED Light Emitting Diode MCU Microcontroller Unit MISO Master In Slave Out
MOSI Master Output – Slave Input
NCM Nomenclatura Comum do Mercosul PCI Placa de Circuito Impresso
RAM Random Access Memory
REST Representational State Transfer
RF Rádio frequência
SCK Slave Clock
SMD Surface Mounting Device
SO Sistema Operacional
SoC System on Chip
SPI Serial Peripheral Interface SRAM Static Random Access Memory TCC Trabalho de Conclusão de Curso
UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná WPAN Wireless Personal Area Network
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 14
1.1 TEMA ... 14
1.1.1 Delimitação do Tema ... 15
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS ... 15
1.3 OBJETIVOS ... 16
1.3.1 Objetivo Geral ... 16
1.3.2 Objetivos Específicos ... 17
1.4 JUSTIFICATIVA... 17
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 21
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 22
2 PROJETO ... 23
2.1 DESCRIÇÃO DOS PRODUTOS ... 24
2.1.1 Partes Integrantes ... 24
2.2 PREMISSAS ... 25
2.2.1 Premissas Operacionais ... 25
2.2.2 Premissas Não Operacionais ... 25
3 IMPLEMENTAÇÃO ... 26
3.1 ESCOLHAS ... 26
3.1.1 Bluetooth x Wi-fi x Zig Bee x RF ... 26
3.1.2 Interface Web x Aplicativo Móvel ... 28
3.1.3 Módulo Transceiver ... 28
3.1.4 Central ... 31
3.1.5 Microcontrolador ... 35
3.1.6 Acesso remoto ... 37
3.2 PROTÓTIPO ... 38
3.2.1 NRF24L01+ ... 38
3.2.2 Attiny44A ... 39
3.2.3 Dimerização ... 44
3.2.4 Esquemático e Componentes ... 47
3.2.5 Layout da Placa de Circuito Impresso ... 49
3.3 PROGRAMAÇÂO ... 53
3.3.1 Transmitter ... 53
3.3.2 OpenHab ... 59
3.3.3 RESTfull ... 63
3.3.4 Simulação de Produção ... 67
4 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 70
4.1 ELABORAÇÂO DO PROTÓTIPO ... 70
4.2 PROGRAMAÇÃO ... 76
4.3 TESTES ... 77
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 84
REFERÊNCIAS ... 87
1 INTRODUÇÃO
O presente documento descreve o desenvolvimento de um protótipo para a utilização em automação de sistemas de iluminação residencial. Neste capítulo introduzimos temas como: objetivos, justificativa, metodologia e estrutura do trabalho.
1.1 TEMA
O ramo da construção civil tem voltado para nossa realidade um olhar mais atento de como o nosso planeta está passando por mudanças. Sejam elas no âmbito do estilo de construção, no contexto da utilização dos materiais ou, até mesmo, como uma sequência lógica (cronogramas, previsões e assim por diante) estas mudanças podem sim afetar o desenvolvimento e a execução de uma construção. Edifícios modernos são levantados a partir de um novo raciocínio, um pensamento sustentável, que garante a melhor obtenção dos recursos utilizados e assim chegando a uma construção onde benefícios são aliados de custos e resultados (FEIL e SCHEREIBER, 2017).
Com esta ideia, outros setores incorporados precisam também se adequar e pensar cada vez mais em como fazer melhor, com menos desperdício de material e que mantenha e ofereça, uma qualidade ao produto, agrupando tecnologia e uma maneira diferente de pensar. Tendo estes pontos em mente, e com o aumento exponencial da demanda de consumo de energia elétrica na próxima década (EPE, 2017), o setor de engenharia eletrotécnica não poderia ficar de fora.
Um dos recursos muito utilizado ainda nas construções e reformas é a utilização de cabos e fios, a fim de alimentar os circuitos elétricos que cada fase da execução demanda. Outro detalhe é que em muitas reformas, a reestruturação de áreas se torna inviável, já que uma realocação de um ponto de acionamento, seja de uma lâmpada ou de uma tomada, envolveria realizar quebras em parede, o que demandaria gastos, sem falar nos transtornos envolvidos.
Para resolver este empecilho surge a ideia de se criar algo que minimize ao máximo a utilização de cabos, fios elétricos, e também grandes reformas, visando acionamentos de pequenos circuitos, que demandam pouco consumo de corrente elétrica e em conjunto, aplicando a tecnologia a favor da sustentabilidade, consumindo menos material, gerando menos desperdício, e uma redução nos gastos com este tipo de insumo.
Um exemplo fácil de entender pode ser citado sendo o circuito de iluminação.
Estes circuitos demandam que em seu ponto de acionamento haja o suprimento de pelo menos dois cabos que servem para o acionamento do circuito, realizando assim a energização da lâmpada. Com a utilização deste produto que será apresentado o consumo de cabos se torna menor do que em uma instalação convencional, otimizando sua utilização e instalação.
Com isso, chega-se a segunda concepção do projeto: inovação tecnológica. Este termo está ligado ao fazer algo novo, em um mundo que está em constante mudança;
fazer diferente é pensar não só em si mas no coletivo, tudo isso traz estratégias de diferenciação, competitividade e crescimento, o que também é o foco de um negócio, vantagens competitivas sustentáveis para o mercado, (FUCK e VILHA, 2011).
1.1.1 Delimitação do Tema
O setor de automação, seja residencial ou industrial, está em grande crescimento, e isso se dá pelo poderio que a tecnologia está obtendo no mercado mundial. As facilidades que o avanço tecnológico traz em benefício da população deixa claro que o futuro está em serviços e produtos de automação.
É grande o aumento da procura e de serviços desse ramo que são oferecidos pelo mercado atualmente, e essa demanda se dá pela qualidade, evolução e confiança dos produtos disponíveis. Logo, este trabalho visa desenvolver um produto de automação residencial capaz de suprir de maneira eficaz uma necessidade comum. De funcionamento simples, fácil instalação, e com objetivo o acionamento de circuitos de iluminação e seu controle de intensidade luminosa, com a utilização de aplicativo móvel instalado em seu smartphone, tablet ou computador, sem a necessidade de grandes quantidades de cabos, ou a presença física do usuário no local, providenciando assim ao cliente comum uma interação com automação.
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS
Como principal problema a ser encarado, pode-se destacar a maneira como realizar a integração de todas as partes envolvidas deste projeto. Uma vez que serão utilizadas partes distintas para alcançar o objetivo proposto como por exemplo, a utilização do Raspberry Pi, de um microcontrolador, um transceiver, será preciso unificar a interação de todos os componentes entre si de maneira eficaz evitando possíveis
perdas de dados contemplando assim ao principal requisito do projeto, acionar um circuito elétrico de iluminação.
Tendo em vista que a vida útil e a eficiência energética de lâmpadas de LED, quando comparada a uma lâmpada fluorescente ou incandescente, é muito maior, o crescimento do uso deste modelo de lâmpada está cada vez mais presente em nosso cotidiano (PHILIPS, 2020). Outro ponto que deve ser levantado será a maneira como realizar a dimerização deste modelo de lâmpada e que não apresente falhas neste processo, uma vez que a lâmpada de LED também possui um circuito eletrônico interno e isso venha a afetar o desempenho da dimerização ou até mesmo comprometa a funcionabilidade do projeto.
Uma questão de importante peso neste trabalho é construir um produto com um custo de produção reduzido se comparado a produtos já existentes no mercado, que possuem custos elevados para aquisição e que demandam elevados custos de implantação, retirando a oportunidade de públicos com renda média ou baixa de obter acesso à tecnologia e assim, automação. Vale ressaltar que muitos destes produtos oferecidos atualmente requerem a necessidade de conhecimentos avançados no setor de informática, demandando experiência com linguagem de programação, instalação de redes e configurações mais avançadas.
O desenvolvimento do projeto se dará em volta de uma central, que também trará um desafio a ser encarado, tratando que esta tem por objetivo toda a receptação e transferência de informações entre acionadores e circuito de acionamento. O equipamento escolhido para tal atividades será o Raspberry Pi Model B+.
1.3 OBJETIVOS
Neste capítulo serão apresentados os objetivos deste trabalho. Esta etapa tem como função auxiliar no desenvolvimento do trabalho e assim, auxiliando da obtenção dos problemas e questões que podem ser levantadas.
1.3.1 Objetivo Geral
Elaborar um protótipo capaz de realizar o acionamento, através de um sinal de rádio frequência, de circuitos de iluminação via aplicativo móvel, por meio de smartphone, tablet ou computador, possibilitando também sua dimerização.
1.3.2 Objetivos Específicos
Através dos conhecimentos adquiridos ao longo do curso de engenharia e do conhecimento conquistado através de estágios e trabalhos, buscou-se atingir o objetivo geral por meio dos seguintes objetivos específicos:
• Desenvolver análise de um módulo emissor e receptor que aliado a um processador seja capaz de realizar envios de sinais para acionamentos em circuitos elétricos através de sinais de rádio frequência.
• Aplicar um estudo a fim de encontrar um microcontrolador de custo baixo e menor tamanho físico, com intuito de atender as necessidades para a elaboração do produto, sendo capaz de processar e interpretar os comandos a ele enviados ou recebidos.
• Elaborar uma interface através de algum aplicativo já existente para smartphone, tablet e computador, capaz de realizar envios de comandos, a fim de se comunicar entre os circuitos emissor e receptor.
• Construir um protótipo de hardware contendo toda a estrutura necessária para a concretização do projeto.
• Realizar análise de um circuito capaz de dimerizar circuitos de iluminação utilizando lâmpadas de LED, visando elementos simples e com custo reduzido para sua confecção.
1.4 JUSTIFICATIVA
Sabe-se que em qualquer tipo de empreendimento a infraestrutura elétrica se faz necessária, seja para um simples acionamento de uma lâmpada, quanto para manter em funcionamento equipamentos de maior relevância, como equipamentos médicos, refrigeradores entre outros. Estima-se que de todo o empreendimento, a instalação elétrica caracteriza entre 5 % a 7 % do valor da construção, o que a deixa em uma posição mediana nos custos, levantando um sinal para a melhoria nos processos e tornando-a alvo para análises de melhor custo-benefício, (BRITO, 2018).
Entrando neste âmbito, pode-se detalhar que para uma construção o que caracteriza o grupo de itens elétricos se dá por cabos, fios, teclas de acionamentos, disjuntores. Logo, uma redução em cabos ou até mesmo uma otimização do tempo de vida útil desses materiais torna a necessidade de se inovar cada vez maior. Outro detalhe
a ser mencionando com relação a vida útil é que o fato de o projeto aqui desenvolvido não levar em conta partes mecânicas em sua construção, o que torna um grande potencial para ganhar mercado, garantindo sua qualidade.
Tendo todos estes pontos analisados, torna-se possível e passível de se optar por produtos que englobem sistemas mais inteligentes e capazes de realizar o mesmo trabalho, porém de uma maneira mais eficiente e de uma maneira não presencial. Um fator de suma importância para a concretização deste trabalho será a busca por uma confecção mais econômica e eficaz em conjunto com uma qualidade de produto, que satisfaça da mesma maneira se comparado com já existentes no mercado.
Trazendo para a um contexto economicamente tratável, os produtos oferecidos atualmente ou não satisfazem o critério de funcionabilidade, já comentados anteriormente ou não satisfazem pelo lado financeiro de aquisição, uma vez que são adquiridos por um valor alto e que em muitos casos necessitam serem importados devido à ausência destes no mercado nacional. Para esclarecer estes pontos são apresentados a seguir alguns modelos que pretendem formar concorrência com o projeto proposto.
Para começar, os mais adquiridos e populares do mercado são da marca Sonoff, empresa que apresenta diversos produtos na área de automação inteligente e que já possui uma marca consolidada no mercado. A Figura 1 apresenta o produto mais simples da marca, mas que proporciona um primeiro contato com automação residencial.
Figura 1 - Sonoff Basic R2.
Fonte: Sonoff Brasil (2019)
Esse modelo funciona como um interruptor inteligente, acionado remotamente através de um aplicativo da própria empresa, o qual oferece o recurso de liga e desliga, programação de tempo e controle por voz. Como na maioria dos produtos da Sonoff,
esse apresenta apenas a função de liga e desliga e que pela utilização de relé comum, reproduz um ruído ao realizar o comando, o que pode tornar-se desagradável para usuários mais exigentes.
O produto que mais se assemelharia a este projeto desenvolvido seria o modelo Sonoff D1. A Figura 2 apresenta este modelo. Esta versão traz sua capacidade de dimerização para circuitos de iluminação e acompanha um controle sem fio, caso o usuário deseje acionar sem o uso de aparelhos móveis. Esse apresenta diversos recursos, o que o torna uma ferramenta muito útil e poderosa em busca da automação inteligente. Seu limitante porém é a necessidade de aquisição de outros recursos para sua instalação, sem deixar de comentar o seu preço que até o presente momento está em torno de US$ 10,99, e seus utensílios de instalação somam US$ 8,80 totalizando US$ 19,79, o que passa dos 100 reais levando em conta a cotação do dólar de R$ 5,61, sem considerar frete e alguma taxa de importação (ITEAD, 2020). Assim, seu preço no mercado nacional pode passar dos 200 reais e dependendo dos utensílios a comprar.
Figura 2 - Sonoff D1.
Fonte: Sonoff Brasil (2019)
Um terceiro modelo que será apresentado é fabricado pela empresa Lutron, a qual pode ser considerada como uma das pioneiras da automação residencial. A empresa Lutron é bastante conhecida no mercado americano e ganha cada vez mais adeptos no Brasil. Possui uma marca consolidada e produtos de altíssima qualidade, seus produtos são pensados nas mais diversas possibilidades de utilização mas que devido ao fato de serem importados ainda estão longe de ampliarem seus mercados, tornando seus produtos aqui para alto poder aquisitivo.
A Figura 3 apresenta o mais simples produto que a Lutron oferece. Trata-se de um dimmer, que irá instalado no lugar da tecla comum de parede, uma central e um controle sem fio. Possui uma lógica Do It Yourself, DIY, onde seguindo passos simples, o próprio usuário final é capaz de instalar e configurar o produto. Este por sua vez possui um preço acessível para o consumidor americano mas que não reflete da mesma maneira para o universo brasileiro, possuindo um valor de aproximadamente 80 dólares (AMAZON, 2020). Este modelo pode no mercado nacional passar facilmente dos 1000 reais, tornando-o inacessível para projetos simples. Este componente traz muitas possibilidades, como programação de timer, inclusão de vários atuadores, porém limitados ao mesmo modelo da marca.
Figura 3 - Lutron Caseta.
Fonte : Lutron (2019)
Um último produto oferecido e que pode ser tratado como concorrente ao projeto aqui proposto é apresentado na Figura 4. Trata-se de uma lâmpada inteligente, que apresenta opções de diversas cores e controle via app; seu preço de venda está por volta dos R$ 100. Ela apresenta dimerização, mas por se tratar de uma lâmpada possui um limite máximo de potência, ou seja, não há a possibilidade de ampliação de potência, tendo que o usuário realizar a substituição do produto, diferentemente dos demais onde lâmpada e circuito de dimerização não se encontram na mesma carcaça. Outro ponto é que o próprio fabricante estipula que o produto seja utilizado apenas para decorações e ambientação (POSITIVO , 2020).
Figura 4 - Lâmpada inteligente.
Fonte: Positivo (2020)
Este projeto tratado aqui traz não só uma nova maneira de pensar, quando se trata de projetar, mas também abre um leque de possibilidades. Pode-se partir de um cômodo simples de uma casa ou até mesmo uma sala de cinema, que por um simples toque no celular adaptaria toda sua iluminação. Outro fator que motiva a implementação deste projeto é tornar alcançável para pessoas com algum tipo de dificuldade de locomoção ou de acessibilidade que poderão ter mais independência, uma vez que o interruptor ganha liberdade para estar alocado dentro de um smartphone, por exemplo, e não mais em uma posição permanente como os interruptores comuns.
A tentativa também de tornar este protótipo economicamente viável possibilita que pessoas com menor poder aquisitivo sejam trazidas para um mundo tecnológico, transformando vidas e motivando-as para concepções tecnológicas e atualizadas, com um produto simples, de custo reduzido e de fácil instalação.
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Para iniciar, foi realizada uma pesquisa de mercado onde foi possível entender a necessidade prática da proposta deste trabalho, trazendo potenciais concorrentes e as dificuldades que este trabalho enfrentará. Após o capítulo de estudo bibliográfico e levantamento de suas características, será realizado a apuração dos parâmetros dos componentes e um estudo sobre a maneira de confecção da PCI, para que se obtenha
a melhor disposição dos mesmos e que assim consiga-se um produto menor fisicamente e monetariamente.
Uma vez tendo a aquisição realizada será confeccionada a PCI, juntamente com a montagem de seus componentes para assim realizar ensaios em bancada, a fim de confrontar os resultados práticos com os obtidos na fundamentação teórica. Serão apresentadas as conclusões que comparam tanto a teoria, quanto a prática, analisando a viabilidade da produção do projeto em grande escala. Por fim, serão tratadas as dificuldades e possíveis melhorias para o projeto em futuras condições.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho de conclusão de curso contém uma estrutura em um total de 5 capítulos e será dividido da seguinte forma:
Capítulo1: Introdução - Olhar geral de todo o trabalho em formato de uma proposta contendo o tema, delimitação do tema, problemas, objetivos, justificativas e procedimentos metodológicos.
Capítulo 2: Projeto – Será abordado a descrição do projeto, trazendo suas partes constituintes, escolhas de componentes e materiais. Será debatido o aplicativo que realizará a interface entre todos os integrantes do projeto, a central que realizará todas as intermediações e o circuito de dimerização de lâmpadas LED.
Capítulo 3: Implementação - Escolhas realizadas para a produção do protótipo através de comparações com tecnologias existentes. Será discutido o modelo de projeto escolhido e o comportamento esperado.
Capítulo 4: Discussão dos resultados – Serão apresentados os resultados tratando as partes do projeto e a construção do protótipo.
Capítulo 5: Considerações finais - Serão discutidos os pontos fortes do trabalho e suas conclusões. Serão abordados problemas encontrados e sugestões de melhorias.
2 PROJETO
O projeto baseia-se em três partes distintas: uma central que realiza a captação, processamento e envio de dados, um interruptor, que tem como função atuar diretamente no controle de energização da lâmpada e por fim uma interface gráfica para interagir entre o usuário e a central.
Uma vez os equipamentos instalados, o usuário através de um aplicativo móvel poderá intervir sobre a intensidade luminosa de uma lâmpada ou até mesmo no controle de tal função, o que se dá o nome de dimerização, onde no processo de iluminação é possível controlar a intensidade luminosa da fonte, diferenciando assim do simples ato de ligar ou desligar a lâmpada, (NEO CONTROL, 2020).
A Figura 5 apresenta o diagrama de blocos do que se pretende do protótipo. Nele serão apresentados as partes constituintes e seus elementos externos que serão a ele conectados. A energia elétrica é recebida através de conectores bornes; ela será controlada através do sistema de dimerização e que através de bornes fornecerá a energia elétrica para o circuito de iluminação.
Figura 5 - Diagrama de blocos básico do protótipo.
Fonte: Autoria própria (2020).
Quem fará toda a parte de controle deste equipamento será o microcontrolador, que tem como função obedecer às regras impostas pela central. Esta receptação ou envio de dados será realizada através do transceiver, que dirá ao dimmer o momento em que deve ligar, desligar ou qual a porcentagem de fluxo luminoso a lâmpada deverá permanecer.
O produto traz uma simplicidade em sua instalação. Basta um ponto de energia para a ligação do interruptor dimmer, outro ponto de energia elétrica para a instalação da central e um roteador wi-fi, e assim o usuário será capaz de ter em uma tela de seu smartphone, tablet ou computador as funcionalidades deste controle na palma da mão.
Logo, parte da concepção que será necessária a utilização de dois transceivers, um para a central, outro para o interruptor dimmer. Já a central terá o papel de interpretar as informações recebidas através do transceiver e de acordo com essas informações, enviar para o interruptor o comando desejado, este que foi anteriormente enviado via aplicativo móvel. A ideia é que a central sempre receba uma informação de retorno do interruptor, para que assim tenha uma informação de recebido e que não se tenha a perda de informações pelo caminho.
2.1 DESCRIÇÃO DOS PRODUTOS
Nesta etapa será discutido o modelo do protótipo e suas partes constituintes. Em um primeiro momento pode-se considerar que o protótipo é composto de duas partes, uma agrupada pelas partes materiais e a outra por uma parte gráfica.
2.1.1 Partes Integrantes
Para compor os aparelhos materiais do projeto considera-se toda parte física do projeto: assim, pode-se mensurar a central e o interruptor dimmer. Para o interruptor, a disposição será dada da seguinte maneira: uma placa de circuito impresso onde a função é atingir os requisitos de funcionabilidade; uma conexão de energia elétrica através de bornes para a instalação do produto junto a rede elétrica; uma conexão de energia elétrica através de bornes para a instalação do ponto de iluminação, o que será caracterizado como sendo a saída do produto.
No quesito de interface, é preciso pensar em algo que forneça ao usuário com facilidade, uma maneira de atuar na forma como deseja operar o sistema. Ligar uma lâmpada, desligar, controlar a intensidade, e até mesmo podendo controlar mais de uma
lâmpada, de maneira individual ou em conjunto. A ideia é que do aplicativo móvel venha a ser um modelo gratuito e que atenda às necessidades descritas.
2.2 PREMISSAS
Para entender melhor a maneira como se dará o produto serão descritas as premissas, a fim de expor e esclarecer as atividades que o conjunto deve realizar e o que não deve. Para que isso se torne mais claro, se utilizarão premissas operacionais e premissas não operacionais.
2.2.1 Premissas Operacionais
• O produto deve ligar ou desligar o circuito de iluminação;
• O produto deve ser capaz de realizar a dimerização de circuito de iluminação;
• O usuário poderá controlar e atribuir valores a fim de dimerizar as lâmpadas de forma individual;
• O usuário poderá controlar e atribuir valores a fim de dimerizar as lâmpadas em grupos de duas ou mais.
2.2.2 Premissas Não Operacionais
• A solução deve buscar que o modulo transceiver seja o mais econômico e que atenda às necessidades do produto;
• A solução deve agregar em uma única PCI a instalação do microcontrolador, o módulo transceiver e o microcontrolador.
3 IMPLEMENTAÇÃO
Nesta etapa é descrita a implementação do protótipo. A ideia do projeto buscou utilizar uma maneira nova de se fazer automação, utilizando componentes distintos que pudessem de maneira eficiente se comunicar e atender as premissas exigidas. A ideia principal por trás deste projeto é desenvolver um protótipo onde se utilizasse componentes de baixo custo e com grande confiabilidade.
A ideia inicial foi desenvolver para uso em bancada facilitando questões como gravação do microcontrolador, ajustes e manutenção. Na sequência será abordado uma maneira industrializada para o projeto, o que trará um aspecto mais comercial ao produto.
3.1 ESCOLHAS
Aqui será descrito as escolhas que compõem o projeto. Comparações e a motivação por trás das escolhas também serão abrangidas nesta seção.
3.1.1 Bluetooth x Wi-fi x Zig Bee x RF
Vários fatores agregam a escolha sobre o meio em que se dará a comunicação entre equipamentos. Questões de preço, confiabilidade, robustez, consumo de energia e até mesmo interferências podem ser cruciais para a tomada de decisão, sem deixar de lado as exigências de certificação.
Para começar, o ZigBee parte de um protocolo sem fio, considerado como WPAN ( redes pessoais sem fio); este sistema possui um uma rede simples e baixo consumo de energia, item que lidera as pesquisas de IoT, uma vez que a lógica é fazer mais com menos. O ZigBee oferece transferência de dados via ondas de rádio a uma frequência de 2,4 GHz. Este protocolo tem alcance de 10 até 100 metros e possui a vantagem de seus módulos serem alimentados por baterias comuns (SALEIRO e EY).
Algo que chama a atenção neste sistema é que cada dispositivo possui seu próprio núcleo wireless embutido, tornando desnecessário a utilização de um roteador para intermediar a comunicação; porém necessitam de um smart hub, que nada mais é do que uma central para gerenciar estes dispositivos. Um ponto crucial que deixa este modelo de fora é o custo de aquisição; por possuir um valor elevado o torna inviável para este trabalho, porém sua aplicabilidade para as mesmas situações o mostra como uma boa alternativa, quando o quesito preço não está em primeiro lugar.
O bluetooth por sua vez parte da ideia de conexão ponto-a-ponto, o que limita sua utilização ao uso, uma vez que o uso de alternativas expande a possibilidade de conexões múltiplas. Bluetooth sofre com uma conexão não muito estável, porém oferece uma conexão segura, permanente, mas de curta distância, o que se torna mais um limitador (GEMALTO, 2020). Uma vantagem para o uso deste protocolo é o fator de custo, pois o bluetooth dispensa a utilização roteadores ou redes extras o tornando uma opção muito mais viável se comparada a utilização de similares.
Um aliado para a tecnologia wi-fi pode-se caracterizar sendo o roteador, que tem como funcionalidade proteger o sistema e intermediar a comunicação entre todos os dispositivos envolvidos. Esse artefato garante que o sistema se mantenha estável por muito mais tempo, sem que haja o perigo de grandes distâncias ou barreiras interfirir no sucesso da conexão.
O uso desta tecnologia se associa ao uso da internet, o que leva o usuário a um mundo de opções, uma vez que não há mais a necessidade de estar presente no local, podendo remotamente acessar o dispositivo de qualquer lugar do planeta. O ponto fraco de um sistema deste é o seu elevado consumo de energia e seu limitado número de conexões possíveis, podendo chegar a 30 dependendo do sistema.
Outro ponto muito importante que deve ser considerado é que o protocolo wi-fi pode sofrer mais interferência comparado a outras tecnologias, uma vez que em uma rede wi-fi se encontra não só apenas dispositivos de IoT e sim vários aparelhos conectados ao mesmo tempo. Isso dependerá da estrutura instalada e também da maneira como o sistema está configurado.
Vale compor esta parte a título de curiosidade que existem inúmeras tecnologias que poderiam ser levadas em consideração para este estudo. A questão que limita é o fato de certas tecnologias ainda não estarem inseridas em meios usuais como por exemplo, smartphones, tablets e computadores. Um exemplo nítido para essa verificação pode ser visualizado pela tecnologia ZigBee, que está presente e muito no mercado IoT em lâmpadas, sensores e eletrodomésticos. Apresenta uma versatilidade enorme, porém é mais adequada para redes com pequenos pacotes de dados, aliada a falta de compatibilidade com os principais meios de interface.
A tecnologia wireless escolhida para este produto foi a rádio frequência, que se comparada com as diversas existentes gera um desafio a ser superado pela sua baixa utilização e até mesmo um preconceito a ser vencido, quando colocados em um cenário de Internet of Things (Internet das coisas). Outro fator que levou à sua utilização é sua
baixa complexidade para utilização se comparado as demais já citadas. Essa baixa complexidade refere-se à simplicidade de instalação e utilização, reduzindo chances de incompatibilidade e problemas como interferências, sem mencionar o custo reduzido para sua aquisição.
3.1.2 Interface Web x Aplicativo Móvel
Um detalhe muito importante na hora de compor o trabalho proposto foi a de como tornar o projeto muito mais presente na vida do usuário e com uma maior facilidade.
Pensando neste quesito levantou a necessidade de um aplicativo móvel que suprisse essa demanda; como o alvo não é a elaboração de aplicativos, nem a confecção de interface gráfica; a escolha foi por um aplicativo móvel já existente no mercado que possibilitasse a integração de todos os dispositivos em qualquer meio escolhido pelo usuário, sendo smartphone, tablet ou computador, desde que o aplicativo atenda essas plataformas e que seja disponibilizado de maneira gratuita.
Um detalhe que cabe mencionar é que esta escolha se dá também devido a facilidade em integrar sistemas já existentes de automação residencial/comercial, conseguindo desta maneira em uma única plataforma englobar todo o sistema necessário, o que facilita a execução do projeto.
Uma interface web comparado a um aplicativo móvel torna o projeto menos complexo, tendo em vista que o aplicativo pode limitar o usuário; porém, a interface web torna obrigatória a necessidade de internet, exigência que o aplicativo não solicita e sim apenas uma rede em que todos os dispositivos interessados precisam estar, como uma rede local, criada por um roteador padrão.
3.1.3 Módulo Transceiver
Com a ideia de comunicar os dispositivos entre si e agregando a ideia de custo- benefício foi selecionado o módulo NRF24L01+ da Nordic (NORDIC SEMICONDUCTOR, 2020). Será apresentado aqui uma breve descrição do modelo e a decisão do uso.
Este módulo integra um transceptor de 2,4 GHz e é capaz de tratar do sistema SPI, que consiste em um protocolo capaz de se realizar a comunicação de um microcontrolador com outros componentes, que neste caso seria o próprio módulo (NATIONAL INSTRUMENTS, 2011). A Figura 6 ilustra o módulo NRF24L01+ que segue
a mesma linha de montagem do módulo estudado anterior, porém sem o microcontrolador presente no mesmo.
Figura 6 - Módulo NRF24L01+.
Fonte: Baú da eletrônica (2020).
Este transceptor possui um longo alcance e pode chegar a uma taxa de transmissão de até 2 Mbps e; além disso, e oferece uma solução ULP, que tem como função gerenciar o consumo de energia, e assim, aumentando a autonomia energética.
A Figura 7 evidencia o diagrama de blocos do NFR24L01+, onde é possível visualizar suas partes integrantes.
Uma diferença também que deve ser levada em consideração é que este módulo realiza transferência e recebimento de dados através do protocolo de sinais de RF, diferentemente de alguns módulos onde utilizam o protocolo Wi-fi. O NRF24L01+ tem a capacidade de receber até 6 transmissões simultaneamente sem haja interferência entre elas. Esses sinais são transferidos através de canais que são conhecidos como Pipes, termo traduzido como tubos. Cada “tubo” possui um endereçamento físico distinto o que permite uma troca segura de informações. Um detalhe que deve se atentar é que cada tubo então precisa ser configurado de tal maneira que o transmissor (Tx) e receptor (Rx) estejam no mesmo endereço em ambos os módulos.
O NRF24L01+ vem ganhando destaque em sua utilização pela sua simplicidade em se comunicar com uma ganha de microcontroladores muito grande, já que este módulo por si só não é capaz de processar informações, tornando assim a necessidade da incorporação de um microcontrolador ao projeto. O que o torna vantajoso é uma vasta documentação online, seu baixo custo de aquisição e a facilidade e simplicidade na instalação.
Figura 7 - Diagrama de bloco do NRF24L01+.
Fonte: Nordic Semiconductor (2008)
Tendo em mente esses parâmetros definidos a escolha do módulo para a realização da comunicação do sistema será utilizado o NRF24L01+. Como uma maneira de agregar ao protótipo utilizar um meio mais simples traz desafios ao projeto, o que torna desafiador sua empregabilidade juntamente com a possibilidade de tornar o custo reduzido do projeto como um todo.
Uma informação muito relevante para começo deste estudo é o modo como ele se comunica com o microcontrolador, uma vez que para sua utilização faz-se a necessidade de um CI que o controle utilizando a interface SPI, que consiste em um protocolo de dados seriais síncronos para que o microcontrolador possa entender o que o módulo está querendo dizer e vice-versa. Este conceito parte da ideia de servidor e cliente ou mestre e escravo. A frequência de operação é de 2,4 GHz, com taxas de transmissão que podem variar entre 256 Kbps, 1 Mbps ou 2 Mbps.
Uma maneira de entender um pouco mais sobre o funcionamento e como se dá esse trabalho do módulo NRF24L01+ é apresentada pela Figura 8, que demonstra as fases que tramita o módulo em estudo. É possível passar de modo receptor para modo transmissor dependendo de ajustes e entrar em modo standby onde o consumo de energia é extremamente reduzido.
Figura 8 - Diagrama controle de estado do RF.
Fonte: Nordic Semiconductor (2008)
3.1.4 Central
Outro componente importantíssimo para que este projeto saia do papel e ganhe vida é a central. A ideia principal da central é fazer todo o tratamento da informação que chega até ela ou até mesmo da informação que pretende enviar. Partindo desta teoria levanta-se a necessidade de construção deste dispositivo; porém, devido à complexidade de tal estrutura deu-se preferência para um primeiro momento de protótipo o levantamento de algo já existente no mercado, a fim de ganhar agilidade e uma facilidade para focar na parte de controle da iluminação.
Com esta ideia amadurecida, chegou-se à conclusão de que o melhor dispositivo disponível no mercado, e que pode com total facilidade suprir a necessidade, será o Raspberry Pi 3 Model B+; um dos motivos cruciais que também foi levado em consideração pela escolha deste modelo é sua vasta documentação de auxilio e sua facilidade da parte de acesso e programação.
A Figura 9 apresenta o módulo Raspberry Pi 3 Model B+ e suas partes integrantes.
Atualmente não é o modelo mais recente, dando espaço para o Raspberry Pi 4 Model B, porém sua aplicabilidade atende muito bem ao propósito do trabalho. Este dispositivo é equipado com um processador quad core de 64 bits com clock de 1,4 GHz, 2,4 GHz dual band e também possui uma LAN wireless de 5 Ghz.
Figura 9 - Raspberry Pi 3 Model B+.
Fonte: Raspberry Pi (2020)
A grande vantagem deste dispositivo em relação a qualquer outro de mesmo patamar, como por exemplo o Arduino Uno, é que este funciona com muita similaridade a um computador; outro ponto que o Raspberry se destaca são suas possibilidades de entradas, ela é composta por 4 entradas USB 2.0, uma entrada Gigabit Ethernet e um módulo 5 GHz IEEE 802.11.b/g/n/ac wireless LAN. Abaixo será detalhada as especificações técnicas do Raspberry Pi 3 Model B+.
De acordo com o datasheet fornecido pela RaspberryPI.org, a Raspberry Pi 3 B+
possui as seguintes especificações técnicas, (RASPBERRY PI, 2020):
• Conectividade:
- 2.4GHz and 5GHz IEEE 802.11.b/g/n/ac wireless LAN, Bluetooth 4.2, BLE - Gigabit Ethernet over USB 2.0 (rendimento máximo 300Mbps)
- 4 Portas USB 2.0
• Acesso: 40 pinos GPIO header estendido.
• Vídeo
- 1 × full size HDMI
• Multimídia: H.264, Decodificado MPEG-4 (1080p30); Codificação H.264 (1080p30); OpenGL ES 1.1, Gráficos 2.0
• Suporte cartão SD: Formato Micro SD para carregar o sistema operacional e armazenamento de dados.
• Entrada de energia:
- 5V/2.5A DC via conector micro USB - 5V DC via GPIO header
- Power over Ethernet (PoE) - Ativado (Requer PoE HAT separado)
Tendo essas especificações torna-se fácil a utilização de softwares e linguagens de programação de diversos tipos que pela sua capacidade de processamento rodam tranquilamente, sem deixar de salientar que internamente é passível de instalação um sistema operacional que possibilita a interação gráfica entre máquina e usuário sem a necessidade de um computador externo onde sua saída HDMI possibilita a interação através da utilização de um monitor.
Uma função que chama a atenção pelo seu notório poder são os pinos GPIO, que possibilitam através de especificações concedidas pelo usuário a determinação se cada pino assumirá papel de entrada ou saída do módulo. A Figura 10 apresenta o exato local dos pinos GPIO de uma Raspberry Pi 3 Model B+.
Figura 10 - Pinos GPIO Raspberry PI 3 Model B+.
Fonte: Raspberry Pi (2020)
A função de cada pino pode ser visualizada pela Figura 11, apresentando assim os pinos que fornecem 5V, 3.3V, pinos GND; já os pinos caracterizados como GPIO são aqueles que podem adotar nível alto, ou seja, possuindo tensão em sua saída, ou adotando nível lógico baixo, adotando 0V. Toda essa caracterização é devida a resistores pull-down ou pull-up, internamente instalados e que possuem a função de proteger os pinos contra surtos de corrente externa.
Figura 11 - Detalhamento dos pinos GPIO do Raspberry Pi 3 Model B+.
Fonte: Raspberry Pi (2020)
Um fator importante que torna a utilização do Raspberry Pi um potencial aliado ao trabalho é sua capacidade aliado à sua dimensão. Um fator interessante para aqueles que gostam de apostar na estética do componente é a possibilidade de adquirir cases personalizados para guardar seu Raspberry e assim tornando-o parte decorativa do local onde desejar armazená-lo. A Figura 12 apresenta as medidas dimensionais do Raspberry Pi 3 Model B+; já a Figura 13 apresenta um case para o mesmo modelo de Raspberry Pi.
Figura 12 - Dimensões do Raspberry Pi 3 Model B+.
Fonte: Raspberry Pi (2020)
Figura 13 - Case para Raspberry Pi 3 Model B+.
Fonte: FilipeFlop (2020)
3.1.5 Microcontrolador
Este componente tem como principal função realizar as tomadas de decisões da placa interruptor dimmer do projeto. A ideia aqui é utilizar um microcontrolador não tão
usual, mas que tenha a capacidade de realizar atividades de maneira eficaz e com a mesma qualidade que os microcontroladores mais conhecidos no mercado.
Um dos microcontroladores mais populares pelos adoradores do Arduino é o modelo Atmega328, que é da família dos 8-bits; possui 32 KB de memória, 2 KB de SRAM e 1 KB de EEPROM, suporta protocolo SPI. Pode operar até 20 MHz, mas que na placa do Arduino opera em 16 Mhz, possui 28 pinos e destes 23 podem ser utilizados como pinos I/O (MICROCHIP, 2020). A Figura 14 apresenta a pinagem do CI Atmega328 e suas possibilidades de configurações.
Figura 14 - Descrição da pinagem do Atmega328.
Fonte: Microchip (2020)
Uma forma de tornar este projeto uma maneira diferente e única é realizando a integração de um microcontrolador que não seja de comum utilização e, que se comparado ao descrito acima consiga de forma eficiente e eficaz, realizar as atividades solicitadas. Para este caso foi cogitado a utilização do microcontrolador Attiny44, mais precisamente o Attiny44a, da família SMD deste microcontrolador, uma vez que traria um desafio a mais para o projeto, levando em consideração a confecção do protótipo e sua programação.
A Figura 15 ilustra o CI que será utilizado no projeto. Este microcontrolador fabricado pela Microchip a qual também fabrica o Atmega328 é equipado com 256 B de memória SRAM, possui 256 B de EEPROM, equipado com 12 pinos no formato I/O e 4 KB de memória para programação. Pode operar na mesma frequência que o Atmega328, na mesma faixa de tensão, que pode variar de 1,8 a 5,5 V (MICROCHIP, 2020).
Figura 15 - Microcontrolador Microchip Attiny44A.
Fonte: Microchip (2020)
Como já é possível perceber, este microcontrolador, se comparado ao Atmega328, possui uma menor robustez em sua construção. Isso atrai os olhares para uma possibilidade limitada, mas trazendo o desafio de acoplar ao projeto um microcontrolador de menor tamanho, menor capacidade, menor preço e que atenda aos requisitos de projeto.
3.1.6 Acesso remoto
Uma das ideias de IoT é tornar o sistema, como um todo, assistido remotamente, tornando capaz seu acesso em qualquer região do globo. Devido a esta facilidade com que o acesso remoto está ganhando estima-se que 2025 mais de 75 bilhões de dispositivos conectados à rede, (ANLIX, 2019).
Claro que a ideia de conexão a um ponto podendo estar situado a longas distancias é algo que chama a atenção; porém, deve-se levar em consideração fatores de segurança e custos. As maneiras de se evitar que desconhecidos consigam acesso de dados pessoais ou contas online estão sempre a chamar a atenção dos especialistas, porém tudo é plausível de erro.
Um detalhe importante que se deve levar em consideração é que para se obter acesso remoto alguns parâmetros devem ser levados em consideração, como por exemplo, a velocidade de internet, falha de segurança e ainda a falta de confiabilidade.
No quesito relacionado a custos, para conectar um dispositivo a rede externa, é preciso um IP fixo. Para isto, é necessário entrar com contato com a provedora de internet do usuário e solicitar, com isso viriam as configurações necessárias para sua adequação, o que iria contra a simplicidade proposta por este trabalho e custos adicionais.
Outro detalhe seria incluir um servidor próprio para o projeto. Este garantiria uma segurança de excelente qualidade ao produto, possibilitando acesso ao usuário através de autenticação, mas estes pontos elevariam os custos da aquisição e manutenção de
serviços especializados. Por estes motivos não se adotou o acesso remoto para este projeto, o que também não caracteriza o foco do projeto.
3.2 PROTÓTIPO
Nesta seção será descrito as partes integrantes do protótipo.
3.2.1 NRF24L01+
Como comentado anteriormente, o NFR24L01+ é um módulo de rádio frequência, fabricada pela Nordic Semiconductor, de origem Norueguesa, onde opera na frequência de 2,4 GHz. As bandas de frequência e as limitações de uso dessas bandas passam por avaliações e homologações pela Agência Nacional de Telecomunicações, (ANATEL, 2017).
É possível configurar e operar através de SPI ou em casos de uso com o Arduino é possível realizar este trabalho com o uso de uma biblioteca RF24, disponibilizada gratuitamente na internet. A Figura 16 apresenta os pinos do NRF24L01+ e suas devidas referencias para comunicação.
Figura 16 - Pinagem NFR24L01+.
Fonte: Arduino (2018)
Vale ressaltar que estes pinos serão conectados ao microcontrolador, o qual terá a função de componente ativo na interação com o projeto, realizando ações de acordo com as informações recebidas pelo transceiver. Outro detalhe muito importante é que sua alimentação é feita em 3,3 V, não podendo haver ligação em 5 V como no caso do microcontrolador.
Sobre os pinos ainda, os pinos CE e CSN conforme apresentados, são aqueles que irão controlar o módulo, tornando-o ativo ou não e habilitando o transceiver a operar de maneira receptora ou transmissora. Já os pinos MOSI, MISO e SCK são os pinos para comunicação SPI e realizam a interpretação em relação a quem fará papel de
mestre e escravo na operação. No caso em estudo, o módulo transceiver será o escravo e o microcontrolador operará como mestre.
3.2.2 Attiny44A
Componente com a função de atuar sobre o interruptor dimmer, o Attiny44A precisará seguir algumas sequencias para seu correto funcionamento. A Figura 17 ilustra a pinagem do microcontrolador Attiny44A. Sua alimentação será dada por 5V devido a sua facilidade de obtenção sempre se atentando para sua tensão máxima, que deve ser respeitada a fim de não realizar a queima do componente (MICROCHIP, 2012).
Figura 17 - Pinagem do microcontrolador Attiny44A.
Fonte: Microchip (2012)
A ligação deste microcontrolador precisa respeitar a mesma pinagem que será utilizada no módulo transceiver. Esta questão se refere no ponto que eles precisam estabelecer uma comunicação e que cada um possui seus respectivos pinos para tal função. Para relacionar a ligação dos pinos do microcontrolador com os pinos do módulo transceiver será apresentada a Tabela 1 abaixo. Ao lado de cada pino é colocado seu respectivo nome, a fim de melhorar o entendimento e assim não gerar erros no momento de sua instalação.
Tabela 1 - Relação de ligação Attiny44A x NRF24L01+.
Attiny44A NRF24L01+
7 (MOSI) 6 (MOSI)
8 (MISO) 7 (MISO)
9 (SCK) 5 (SCK)
10 (PCINT3) 4(CSN)
11 (PCINT2) 3 (CE)
Fonte: Autoria Própria (2020).
Para realizar a gravação da programação no microcontrolador é utilizado para esta função o Arduino Uno. Apresentado na Figura 18, este módulo tem como função, além de tantas outras, a possibilidade de gravação através do programador AVR. Esta função possibilita a integração de outros microcontroladores, tornando o Attiny44A capacitado para entrar nesta lista.
Figura 18 - Arduino Uno.
Fonte: Arduino (2019)
Primeiramente, para que se cumpra tal função torna-se necessário a explicação sobre como funciona o Arduino Uno. Este módulo partiu-se da ideia de facilitar a vida de pesquisadores, estudantes e projetistas amadores que, por um preço acessível, gostassem de programar. Possui um hardware livre, abrindo assim possibilidade para que qualquer um pudesse montar, remodelar, modificar ou personalizar o seu próprio Arduino.
Arduino possui um acesso fácil ao computador e pode ser programada via IDE, que nada mais é do que um ambiente computacional feito para programar através de linguagem C/C++. O módulo é bastante usado no mundo devido a sua facilidade e robustez, porém para este trabalho ele terá a função única e exclusiva para realizar a gravação do microcontrolador Attiny44A. A Figura 19 ilustra a maneira como deve ser realizada a conexão dos pinos do microcontrolador Attiny44A nos terminais do Arduino Uno, lembrando que a numeração dos terminais do Arduino Uno está impressa na própria placa do módulo conforme pode ser visualizada na Figura 18.
Figura 19 - Conexão para gravação do Attiny44A no Arduino Uno.
Fonte: Autoria Própria (2019)
Após a configuração de hardware é preciso acessar a IDE do Arduino Uno e estabelecer algumas configurações. A Figura 20 apresenta o caminho para o sketch que torna o Arduino Uno como programador. Este sketch precisa ser compilado para o Arduino para que seja possível a transferência para o Attiny44A.
Figura 20 - Sketch para função programador do Arduino Uno.
Fonte: Autoria Própria (2019)
Alguns parâmetros, como a escolha do novo microcontrolador e a seleção do Arduino como função de ISP, são necessárias para a correta gravação no microcontrolador. A Figura 21 apresenta a maneira como deve ser realizada para a escolha do microcontrolador desejado; já a Figura 22 permite ilustrar a escolha da versão SMD do Attiny44, que é conhecida como Attiny44A.
Figura 21 – Caminho para a escolha do Attiny44A.
Fonte: Autoria própria (2019)
Figura 22 - Escolha da versão SMD do Attiny44A.
Fonte: Autoria própria (2019)
A Figura 23 apresenta o caminho para colocar o Arduino em modo ISP. Este modo implementa no Arduino um subconjunto de comandos que possibilita que o usuário utilize o Arduino como programador. Essas etapas são imprescindíveis para que possa ser realizado a gravação do programa no microcontrolador escolhido.
Figura 23 - Determinação do Arduino como ISP.
Fonte: Autoria própria (2019)
Após esses passos é possível realizar a transferência do programa para o Attiny44A. A Figura 24 apresenta o caminho para realizar a transferência.
Figura 24 - Função para gravação do Attiny44A.
Fonte: Autoria Própria (2019).
Com estes passos o microcontrolador Attiny44A está pronto para realizar as atividades que nele foram instauradas. Este é um processo simples, mas se colocado
em mente que o componente se encontra no formato SMD e soldado na PCI, torna-se um ponto de fraqueza para o projeto, levantando a necessidade de um estudo para realizar esta gravação e alocação do componente na placa.
3.2.3 Dimerização
Um dos pontos cruciais para a efetivação do projeto é a capacidade de dimerizar a lâmpada de LED. Este conceito já está inserido na sociedade e é bastante difundido no setor de iluminação e automação no geral. A questão é a maneira como tratar esta dimerização, uma vez que para lâmpadas de LED o processo se altera quando comparado com os meios mais usuais em que se utilizava lâmpadas incandescentes.
A dimerização no setor de iluminação atualmente ganha cada vez mais espaço.
Aliado ao aproveitamento da iluminação natural, a dimerização compõe um pacote muito interessante quando empresas, pessoas e pensamentos visam a eficiência energética, tornando-a mais sustentável e econômica na conta de energia. O papel da dimerização neste ponto traria a intenção de mesclar desempenho com a iluminação natural e assim manter o ambiente agradável e sempre bem iluminado.
No mundo da elétrica, dimerizar é o processo de controlar a intensidade luminosa de uma lâmpada, o que a diferencia em relação a um simples chaveamento, o qual apenas realiza a função de ligar ou desligar uma lâmpada (NEOCONTROL, 2019).
Entrando nesta questão existem algumas maneiras de se obter este controle e o que será descrito aqui utiliza como principal ideia o controle com precisão o momento que deve-se controlar a intensidade.
Sabe-se que o formato de onda utilizado hoje na rede elétrica é no formato senoidal e que seu ciclo se repete 60 vezes por segundo. Em uma lâmpada, o que acontece é que o processo de acender e apagar ocorre 120 vezes em um segundo, e que devido a esta frequência de repetição, a visão humana não percebe. Tendo isso em mente, é possível afirmar que há um momento em que a tensão marca o valor de 0V e este será o ponto em que será trabalhado para se obter a dimerização.
Este projeto de dimerização possui duas funções: a primeira é comunicar ao microcontrolador toda vez que o nível de tensão chegar a 0V, o que acontece duas vezes a cada ciclo e a segunda função é permitir que um baixo nível de tensão DC fornecido pelo microcontrolador atue sobre a energização da lâmpada. Logo torna-se necessário dois conjuntos, um que trataremos como Zero Crossing Detector, que possui a função
de constatar o momento em que a onda senoidal cruzar o 0V e o segundo conjunto que terá função de alimentado a rede elétrica fornecer corrente e tensão para a lâmpada.
Começando pelo Zero Crossing, como já mencionado, possui a função de comunicar no exato momento que a onda senoidal cruzar o 0V. Esta comunicação se dá através de um pulso em nível alto. E neste exato momento o microcontrolador deve entender este recado, e realizar alguma ação na parte de alimentação da lâmpada. Este recurso se dá através de um pino chamado INT e que possui a função interrupt, na qual literalmente interrompe qualquer que seja a operação que o microcontrolador esteja realizando e desempenha uma programação específica, e que após este, retorna para a atividade passada.
O que irá determinar como a lâmpada acenderá ou não parte de uma lógica matemática. Sabe-se que a cada 8,33 milissegundos o microcontrolador receberá um pulso de nível alto, e que o microcontrolador para qualquer atividade e executa uma programação específica. Este programa então tem como função determinar um tempo para que o circuito de energização da lâmpada permanece ligado e assim, fornecendo energia elétrica para que a lâmpada permaneça acessa. Este tempo é tratado pelo microcontrolador como nível de tensão DC para alimentar o gatilho de um Triac, e assim, garantindo sua operação como chave.
A Figura 25 apresenta o circuito utilizado para dimerização. Este modelo consiste em interromper em um determinado ponto a onda senoidal, com isso se obtém um valor RMS para cada ponto de interrupção e com isso uma intensidade na lâmpada. Uma maneira de auxiliar neste entendimento é tratada pela Figura 26 onde é evidenciado o processo de tempo de energização da lâmpada versus o pulso emitido pelo microcontrolador.
O tempo t1 representa o tempo que começa a contar após a detecção da passagem da onda pelo 0V e t2 corresponde ao tempo de pulso conhecido por DIM, que representa o pulso advindo do microcontrolador. A imagem torna claro a evidência de que a alimentação da lâmpada se dá quando o tempo t1 termina e inicia o pulso DIM, a lâmpada é energizada e assim vai até a onda senoidal cruzar novamente o 0V, e assim sucessivamente. Com isso é possível afirmar que se este tempo t1 for aumentado o tempo de energização da lâmpada será menor, e isso será refletido em uma menor taxa de luminosidade a qual será percebida.
Figura 25 - Circuito para dimerização.
Fonte: Autoria própria (2019) Figura 26 - Pulso dimmer x Onda senoidal.
Fonte: (CAMPOS, 2016)
Para finalizar o tempo t2 é o tempo de pulso no gatilho do Triac, que depois de acionado terá a função de manter a alimentação da lâmpada até que a onda senoidal chegue novamente ao nível 0V; este tempo é determinado padrão e possui um valor de 6 milissegundos. Outro detalhe a ressaltar é que o tempo t1 poderá adotar um valor não
maior que 8,33 milissegundos, pois o processo se repete neste intervalo de tempo, lembrando que para este valor máximo a lâmpada não se acenderá.
Dois pontos importantes para implementação deste circuito neste projeto são:
sinal de saída ZC e entrada sinal dimmer, conforme apresentados na Figura 25. O sinal de saída do zero crossing consiste justamente em um pulso, que informará o microcontrolador de que a onda de tensão senoidal cruzou o 0V. Isto é, toda vez que este fenômeno acontecer será enviado um sinal em nível alto para o Attiny44a, o qual entenderá este sinal atuará através do segundo ponto mencionado, a entrada de sinal dimmer. Este ponto tem como função energizar o MOC3021 e assim realizar a energização do circuito da lâmpada, sendo o gatilho para o TIC 226D e assim fornecendo energia elétrica para a lâmpada.
Este tempo de energização do MOC dependerá do nível de intensidade luminosa que o usuário determinará. Ou seja, quanto maior o nível de dimerização maior o tempo de alimentação do MOC e assim maior tempo que o circuito fornecerá energia a lâmpada conforme já descrito anteriormente. Este modelo agrupa em um único circuito a parte que informa o microcontrolador quando começar a atuar e recebendo este comando do Attiny para executar a dimerização.
Os detalhes de programação serão tratados na seção 3.3.
3.2.4 Esquemático e Componentes
Nesta seção será discutido cada parte constituinte do módulo interruptor dimmer, sua construção e metodologia utilizada.
3.2.4.1 Retificador
O primeiro passo e um dos mais fundamentais parte da ideia de que o circuito como um todo não utiliza de energia alternada para operar, sendo a lâmpada o único circuito que necessita deste tipo de energia elétrica. Logo, o circuito precisa realizar o processo de retificação do formato de onda e assim obter níveis de tensão contínua para que possa operar e assim obter o resultado esperado.
A Figura 27 apresenta o circuito de retificação para o projeto proposto. Desta maneira é obtido em sua saída uma tensão contínua de 18V e uma capacidade de corrente de 200mA. Vale ressaltar que este projeto foi desenvolvido para a utilização em uma rede de energia elétrica monofásica 127V.
