Comunicações em aplicações de domótica para apoio a pessoas com limitação funcional

(1)

Vasco Miguel

Teot´

onio Brites

de Pinho Santos

COMUNICAC

¸ ˜

OES EM APLICAC

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OES DE

DOM ´

OTICA PARA APOIO A PESSOAS COM

(2)

Vasco Miguel

Teot´

onio Brites

de Pinho Santos

COMUNICAC

¸ ˜

OES EM APLICAC

¸ ˜

OES DE

DOM ´

OTICA PARA APOIO A PESSOAS COM

LIMITAC

¸ ˜

AO FUNCIONAL

Disserta¸cão apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obten¸cão do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e Telecomunica¸cões (Mestrado Integrado), realizada sob a ori-enta¸cão cient´ıfica do Dr. José Alberto Gouveia Fonseca, Professor Associ-ado do Departamento de Electrónica, Telecomunica¸cões e Informática da Universidade de Aveiro.

(3)

`

A minha Alexandra por todo apoio e dedica¸c˜ao.

Aos meus recém falecidos Avó Maria e Avô Claudino, por todos os momentos que partilharam com o neto.

(4)

Presidente Prof. Dr. Valeri Skliarov

Professor Catedr´atico da Universidade de Aveiro (Por delega¸c˜ao da Reitora da Universidade de Aveiro)

Vogais Prof. Dr. Jos´e Alberto Gouveia Fonseca

Professor Associado da Universidade de Aveiro (Orientador) Dra. Margarida Sizenando Ribeiro da Cunha M´edica Especialista em Fisiatria

Prof. Dr. M´ario Jorge de Andrade Ferreira Alves

(5)

acad´emica.

A todos os colegas que directa ou indirectamente contribu´ıram para a realiza¸c˜ao deste projecto.

Ao Professor Doutor Jos´e Alberto Fonseca, um agradecimento espe-cial pela sua orienta¸c˜ao.

(6)

Resumo Actualmente, assiste-se à introdu¸cão de diversas tecnologias nas habita¸cões e lares. Sistemas de automa¸cão de edif´ıcios, outrora de utiliza¸cão exclusiva em edif´ıcios de grande superf´ıcie ou empresas, estão a ser gradualmente in-troduzidos em residências habitacionais. A estrutura técnica destes edif´ıcios pode simplificar as rotinas diárias e aumentar o conforto dos ocupantes. Um dos principais grupos a beneficiar com este tipo de equipamento são as pessoas com limita¸cões funcionais. As infraestruturas tecnológicas das habita¸cões podem compensar várias das limita¸cões apresentadas pelos ocu-pantes com limita¸cões funcionais. Deste modo, estes utilizadores podem atingir a liberdade e independência que de outra forma não seria poss´ıvel alcan¸car. Esta disserta¸cão pretende apresentar um sistema de automa¸cão de habita¸cões para pessoas com limita¸cões funcionais. Numa primeira fase serão identificadas as necessidades habitacionais das pessoas com mobili-dade condicionada, apresentada a actual arquitectura, opera¸cão e imple-menta¸cão do sistema, baseado num protocolo com fios, e efectuada uma descri¸cão do demonstrador implementado no CMRRC Rovisco Pais. Na segunda fase serão analisadas várias tecnologias de transmissão sem fios, com especial ênfase na tecnologia ZigBee, de modo a dotar o sistema de comunica¸cões sem fios.

(7)

being gradually introduced in our homes. The technical structure of these automation solutions can simplify the daily routines and raise the comfort of the occupants. One of the main groups to benefit from this type of equipment are the people with functional limitations. The infrastructures of the automated homes can compensate several of the physical limitations of the occupants with functional limitations. In this way, these users can achieve the independence and freedom which, in other way, would be im-possible to reach. This dissertation will present a home automation system for people with severe physical limitations. In a first stage, the adaptations of the houses of people with physical limitations will be identified. The architecture, operation and development of the actual automation system, based in wired communications, will be presented. This part of the work will end with the description of the system prototype implemented in the CMRRC Rovisco Pais. In the second part of this work a research of wireless protocols will be performed with special emphasis on ZigBee. This research will allow the upgrading of the home automation communications system to be based in wireless technology.

(8)

1 Introdu¸c˜ao 1-1 1.1 Descri¸c˜ao geral . . . 1-1

1.2 Aplica¸c˜oes de dom´otica baseadas em sistemas sem fios . . . 1-1

1.3 Estrutura da disserta¸c˜ao . . . 1-2

2 Popula¸c˜ao com limita¸c˜oes funcionais 2-1

2.1 Introdu¸c˜ao . . . 2-1

2.2 Paralisia: Defini¸cão e considera¸cões anatómicas . . . 2-1

2.3 Tipos de paralisia . . . 2-1

2.4 Limita¸c˜oes e condicionalismos . . . 2-2

2.5 Conclus˜ao . . . 2-3

3 Automa¸cão de habita¸cões para pessoas com limita¸cões funcionais 3-1 3.1 Introdu¸cão . . . 3-1

3.2 Estado da arte . . . 3-1

3.2.1 Concept of Automation and Services for people with speciAl needs (CASA) . . . 3-2

3.2.2 Future Senior Living (FSL) - Assistive Automation . . . 3-2

3.2.3 Assistive Home - Dauphinestrasse . . . 3-3

3.3 Retrofitting de habita¸c˜oes convencionais . . . . 3-3

3.4 Aplicabilidade de solu¸c˜oes baseadas em retrofitting . . . . 3-4

3.4.1 Caso de estudo CMRRC-RP . . . 3-4

3.5 Conclus˜ao . . . 3-6

4 Sistema de domótica para pessoas com limita¸cões funcionais B-Live 4-1 4.1 Introdu¸cão . . . 4-1

4.2 Arquitectura do sistema . . . 4-1

4.2.1 Arquitectura dos m´odulos . . . 4-2

4.3 Protocolo de comunica¸c˜oes . . . 4-3

4.3.1 Estrutura de dados . . . 4-3

4.3.2 Estrutura das mensagens . . . 4-3

4.3.3 Tipos de mensagens . . . 4-6

4.3.4 Comandos e seu significado . . . 4-7

4.4 Identifica¸c˜ao dos m´odulos . . . 4-8

4.5 Esquemas e organiza¸c˜ao das placas . . . 4-11

(9)

4.8 Conclus˜ao . . . 4-19

5 Análise de solu¸cões de comunica¸cão alternativas 5-1 5.1 Introdu¸cão . . . 5-1

5.2 Power Line Communications (PLC) . . . 5-1

5.2.1 Descri¸c˜ao geral . . . 5-2

5.2.2 Arquitectura . . . 5-3

5.2.3 Protocolos . . . 5-5

5.2.4 Inconvenientes da tecnologia PLC . . . 5-6

5.3 Solu¸c˜oes cabladas vs solu¸c˜oes sem fios . . . 5-6

5.3.1 Solu¸c˜oes cabladas . . . 5-7

5.3.2 Solu¸c˜oes sem fios . . . 5-8

5.4 Conclus˜ao . . . 5-11

6 Redes Sem Fios para Aplica¸c˜oes Pessoais (WPANs) 6-1

6.1 Introdu¸cão . . . 6-1 6.2 Bluetooth . . . 6-1 6.2.1 Descri¸cão geral . . . 6-2 6.2.2 Arquitectura . . . 6-2 6.2.3 Perfis . . . 6-4 6.3 Wi-Fi . . . 6-4 6.3.1 Descri¸cão geral . . . 6-5 6.3.2 Arquitectura e componentes . . . 6-5 6.4 Ultra-Wide Band . . . 6-8 6.4.1 Descri¸cão geral . . . 6-8 6.5 ZigBee - IEEE 802.15.4 . . . 6-9 6.5.1 Arquitectura protocolar . . . 6-10 6.5.2 Arquitectura da rede . . . 6-13

6.6 Estudo comparativo entre tecnologias sem fios de forma preliminar e resumida 6-18

6.7 Conclus˜ao . . . 6-20

7 Ensaios e prot´otipos 7-1

7.1 Solu¸c˜oes comerciais ZigBee . . . 7-1

7.1.1 MaxStream XBee e XBee-Pro ZigBee OEM . . . 7-1

7.1.2 Radiocrafts RC2300 . . . 7-2

7.1.3 Freescale System in Package (SIP) MC13214 . . . . 7-2

7.2 Testes de performance dos m´odulos XBee e XBee-PRO . . . . 7-3

7.2.1 Ensaios sobre o alcance . . . 7-3

7.2.2 Ensaios sobre a autonomia . . . 7-4

7.3 Integra¸cão dos módulos MaxStream ZigBee no sistema domótico B-Live . . . 7-6

7.4 Prot´otipos . . . 7-8

7.4.1 Interface com o microcontrolador . . . 7-8

7.4.2 Interface com o PC . . . 7-8

7.5 Ensaios em explora¸c˜ao . . . 7-9

(10)

7.5.4 Agosto de 2006 . . . 7-10

7.5.5 Janeiro de 2007 . . . 7-10

7.5.6 Fevereiro de 2007 . . . 7-10

7.6 Discuss˜ao . . . 7-10

(11)

3.1 Bairro onde se situa o demonstrador B-Live no Centro Rovisco Pais . . . 3-5

3.2 Caixa de aparelhagem com m´odulo B-Live . . . 3-5

3.3 M´odulo B-Live (porta de entrada) . . . 3-6

3.4 Localiza¸c˜ao dos m´odulos B-Live no demonstrador do Rovisco Pais . . . 3-7

4.1 Arquitectura do sistema B-Live . . . 4-2

4.2 Interac¸c˜ao do sistema B-Live com o exterior . . . 4-2

4.3 Arquitectura dos m´odulos B-Live . . . 4-2

4.4 Arquitectura interna dos m´odulos B-Live . . . 4-3

4.5 Estrutura de dados B-Live . . . 4-4

4.6 Estrutura das mensagens do FIFO . . . 4-4

4.7 Estrutura das mensagens RS232 . . . 4-4

4.8 Estrutura das tramas CAN . . . 4-5

4.9 Correspondˆencia entre mensagens . . . 4-5

4.10 Constru¸c˜ao do campo IDSrc . . . 4-6

4.11 Disposi¸cão dos dados de configura¸cão em memória . . . 4-7

4.12 M´odulo B-Live Placa de Controlo . . . 4-9

4.13 M´odulo B-Live Estores . . . 4-9

4.14 M´odulo B-Live Lˆampadas . . . 4-9

4.15 M´odulo B-Live Dispensador . . . 4-10

4.16 M´odulo B-Live Tomadas . . . 4-10

4.17 Placa de Controlo . . . 4-11

4.18 Placa de BTA26 . . . 4-12

4.19 Placa de BT139 . . . 4-13

4.20 Placa de MOSFETs . . . 4-13

4.21 Placa de Rel´es . . . 4-14

4.22 Placa de Menu Recitado . . . 4-15

4.23 Arquitectura do software B-Live . . . 4-16

4.24 Interface B-Live PC . . . 4-17

4.25 Interface cadeira . . . 4-18

4.26 Interface interruptor e rato de boca . . . 4-18

4.27 Interruptores convencionais . . . 4-19

5.1 Acesso da banda larga PLC . . . 5-2

5.2 Rede dom´otica PLC . . . 5-3

(12)

6.3 Perfis Bluetooth . . . 6-4

6.4 IEEE 802.11 standards mapeados no modelo OSI . . . 6-5

6.5 Componentes do protocolo IEEE 802.11 . . . 6-6

6.6 Redes suportadas pelo protocolo 802.11 . . . 6-7

6.7 Largura de banda da tecnologia UWB . . . 6-9

6.8 Plataforma UWB WiMedia . . . 6-9

6.9 Estrutura das camadas do protocolo ZigBee-IEEE 802.15.4 . . . 6-10

6.10 Estrutura da trama da camada F´ısica (PHY) . . . 6-11

6.11 Estrutura da trama da camada MAC . . . 6-11

6.12 Estrutura da trama da camada de Rede (NWK) . . . 6-12

6.13 Estrutura da trama da camada de Aplica¸c˜ao . . . 6-13

6.14 Topologia da rede em Estrela (Star ) . . . . 6-15

6.15 Topologia da rede em ´Arvore (Cluster Tree) . . . . 6-16

6.16 Topologia da rede em Malha (Mesh) . . . . 6-17

6.17 Comunica¸c˜oes ZigBee com sincroniza¸c˜ao (beacon) . . . . 6-18

6.18 Comunica¸c˜oes ZigBee sem sincroniza¸c˜ao (non-beacon) . . . . 6-18

6.19 Estrutura da super trama (superframe) . . . . 6-19

6.20 Compara¸c˜ao entre tecnologias sem fios . . . 6-19

7.1 Gráfico das perdas de sinal em fun¸cão da distância ao módulo base . . . 7-6

7.2 Comunica¸c˜ao ZigBee entre o demonstrador B-Live e PC . . . 7-6

7.3 API X-CTU m´odulos ZigBee MaxStream . . . 7-7

7.4 Interface MIOBee . . . 7-8

7.5 Circuito interface XBee . . . 7-9

(13)

2.1 Condicionalismos no dia-a-dia de uma pessoa com limita¸c˜oes funcionais . . . 2-3

5.1 Vantagens e desvantagens das solu¸c˜oes cabladas . . . 5-7

5.2 Vantagens e desvantagens das solu¸c˜oes sem fios . . . 5-8

6.1 Estrutura das tramas da camada MAC . . . 6-11

6.2 Tipos de dispositivos ZigBee de acordo com a especifica¸c˜ao IEEE 802.15.4 . . 6-14

6.3 Tipos e fun¸c˜oes dos dispositivos ZigBee . . . 6-14

6.4 Compara¸c˜ao entre tecnologias sem fios . . . 6-20

7.1 Caracter´ısticas dos m´odulos XBee e XBee-PRO . . . 7-2

7.2 Caracter´ısticas do m´odulo RC2300 . . . 7-3

7.3 Caracter´ısticas do m´odulo MC13214 . . . 7-4

7.4 Kit de desenvolvimento da MaxStream . . . 7-5

7.5 Perdas de sinal indoor para diferentes tipos de m´odulos e antenas . . . . 7-6

7.6 Autonomia de uma pilha de 9V (6LR61) - Coordinator e Router . . . . 7-7

(14)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸c˜

ao

1.1 Descri¸c˜

ao geral

A Domótica aplicada às habita¸cões é uma área em franca expansão devido às potencialidades, quer a n´ıvel de conforto, quer a n´ıvel de poupan¸ca energética que advêm da sua utiliza¸cão. Existem, no entanto, três factores negativos nos sistemas actuais: não são desenvolvidos com base nas limita¸cões funcionais de pessoas idosas ou com deficiência motora (paraplégicas e tetraplégicas), são de custo elevado por implicarem a aquisi¸cão de produtos desenvolvidos especificamente para esse fim e baseiam-se frequentemente em solu¸cões cabladas centralizadas. As solu¸cões de domótica nas habita¸cões ganham maior importância quando se analisam os longos per´ıodos que pessoas com limita¸cões funcionais graves, quer sejam permanentes ou temporárias, passam nas suas habita¸cões e a autonomia, praticamente nula, perante os seus cuidadores. Segundo dados obtidos através do Instituto Nacional de Estat´ıstica, no in´ıcio de 2006 existiam em Portugal continental 1.747.700 habitantes com idade superior a 65 anos, dos quais 357.492 possu´ıam algum tipo de incapacidade funcional. A partir destes dados facilmente se verifica que são muitos os potenciais utilizadores de sistemas de automa¸cão para fazer face às limita¸cões naturais de pessoas idosas, paraplégicas e tetraplégicas.

Com o objectivo de facilitar o dia a dia de pessoas com graves limita¸cões funcionais, a Universidade de Aveiro, o Centro de Medicina de Reabilita¸cão da Região Centro - Rovisco Pais e a empresa Micro I/O criaram uma parceria para desenvolver um sistema domótico de apoio à reabilita¸cão (DoRe) de pessoas com limita¸cões funcionais graves. O autor desta disserta¸cão participou no projecto tendo desenvolvido vários dos subsistemas actualmente dispon´ıveis. Nesta disserta¸cão apresenta-se parte desse trabalho, embora se tenha como ob-jectivo fundamental estudar a possibilidade de dotar o sistema DoRe de solu¸cões sem fios de forma a substitu´ırem as actuais solu¸cões cabladas, com todas as vantagens inerentes a essa altera¸cão.

1.2 Aplica¸c˜

oes de dom´

otica baseadas em sistemas sem fios

Os sistemas sem fios são actualmente utilizados em diversas aplica¸cões, tais como comu-nica¸cões, electrónica de consumo, informática e automa¸cão. As razões porque estes sistemas

(15)

são cada vez mais utilizados, em detrimento dos sistemas com fios, deve-se essencialmente à redu¸cão de custos na manuten¸cão destes sistemas e ausência de cablagem, à mobilidade acrescida e à simplicidade de altera¸cão da topologia da rede.

O número de habita¸cões com sistemas de automa¸cão que aliam conforto, comodidade e redu¸cões energéticas, tem vindo a aumentar. Estes sistemas permitem controlar diversas funcionalidades das habita¸cões, como ilumina¸cão e acessos. São, no entanto, essencialmente baseados em sistemas de comunica¸cão com fios, na maior parte das vezes centralizados, mesmo ao n´ıvel da camada f´ısica, implicando cablagens entre cada dispositivo e um sistema central. A introdu¸cão de sistemas sem fios em aplica¸cões de domótica permite dotá-los das van-tagens das solu¸cões sem fios quando comparadas com as solu¸cões cabladas, e permite que as funcionalidades sejam adicionadas às habita¸cões convencionais sem que sejam necessárias muitas adapta¸cões.

1.3 Estrutura da disserta¸c˜

ao

Este trabalho est´a dividido em cinco partes:

1. Estudo sobre os tipos de paraplegia e tetraplegia existentes, identificando as limita¸cões e condicionalismos que as pessoas com este tipo de lesões enfrentam nas suas rotinas diárias.

2. Identifica¸cão das necessidades de automa¸cão de habita¸cões convencionais para pessoas com limita¸cões funcionais, e análise do caso de estudo do Centro de Medicina de Rea-bilita¸cão da Região Centro - Rovisco Pais (CMRRC-RP).

3. Descri¸cão de um sistema de domótica para pessoas com limita¸cões funcionais.

4. Estudo de solu¸cões alternativas ao protocolo de comunica¸cão do sistema de domótica proposto, nomeadamente, outras tecnologias cabladas e protocolos de comunica¸cão sem fios.

5. Descri¸cão dos ensaios experimentais efectuados e desenvolvimento de protótipos. No cap´ıtulo 2, como resultado do estudo sobre os tipos de paraplegia e tetraplegia exis-tentes, bem como das limita¸cões e condicionalismos que as pessoas com este tipo de lesões enfrentam nas suas rotinas diárias, procurar-se-á identificar e fundamentar as motiva¸cões inerentes ao desenvolvimento deste trabalho.

No cap´ıtulo 3 serão identificadas as necessidades de automa¸cão de habita¸cões convencionais de pessoas com limita¸cões funcionais e analisado o caso de estudo do demonstrador presente no CMRRC-RP, a experiência da sua utiliza¸cão por parte dos pacientes deste centro e os melhoramentos a realizar futuramente.

No cap´ıtulo 4, será apresentado o B-Live, nome de baptismo do sistema desenvolvido no âmbito do projecto DoRe. Trata-se de um sistema de domótica de apoio a pessoas idosas ou com algum tipo de paralisia. Será efectuada uma descri¸cão da arquitectura do sistema,

(16)

do protocolo de comunica¸cão, da arquitectura do software e das múltiplas interfaces homem-máquina (HMIs).

Nos cap´ıtulos 5 e 6, será efectuado um estudo que visa procurar solu¸cões alternativas ao meio de comunica¸cão actualmente presente no sistema B-Live (Controller Area Network). Este estudo consiste em confrontar solu¸cões cabladas com solu¸cões sem fios, nomeadamente as vantagens e desvantagens de cada uma, em apresentar uma alternativa cablada (Power Line Communications) e diversas solu¸cões sem fios (Bluetooth, Wi-Fi, Ultra Wide-Band e ZigBee).

No cap´ıtulo 7, serão apresentados os resultados dos ensaios experimentais efectuados e o desenvolvimento de protótipos. Este cap´ıtulo inclui ainda um estudo sobre as caracter´ısticas de algumas solu¸cões comerciais ZigBee.

O cap´ıtulo 8 conclui esta disserta¸c˜ao e apresenta alguns pontos a desenvolver em trabalho futuro.

(17)

(18)

Cap´ıtulo 2

Popula¸c˜

ao com limita¸c˜

oes funcionais

2.1 Introdu¸c˜

ao

Entende-se por limita¸cões funcionais qualquer incapacidade de foro f´ısico ou psicológico que impossibilite a realiza¸cão de uma actividade ou tarefa do dia-a-dia.

Este cap´ıtulo pretende fazer uma breve descri¸cão do conceito paralisia, sua defini¸cão, considera¸cões anatómicas e tipos de lesão. Será analisada a problemática que as pessoas com este tipo de incapacidade enfrentam nas actividades diárias, nas suas habita¸cões e locais de trabalho.

2.2 Paralisia: Defini¸c˜

ao e considera¸c˜

oes anat´

omicas

O termo paralisia provém do Grego paralysis, das palavras para, ”ao lado de”e lysis, ”perda”ou ”quebra”[1]. Na medicina, este termo é referido como a perda de uma fun¸cão sensorial ou motora. Quando associado ao sistema motor, paralysis define-se como a perda do acto voluntário de movimento devido à interrup¸cão do via de comunica¸cão entre o cérebro e os músculos.

As causas mais frequentes que provocam paralisia são os traumatismos medulares provo-cados por acidentes de via¸cão, mergulhos em águas rasas, tuberculose, esclerose múltipla e o s´ındrome de Guillain-Barré ou polirradiculoneurite aguda.

2.3 Tipos de paralisia

De acordo com a localiza¸cão e distribui¸cão dos músculos enfraquecidos, é poss´ıvel definir os seguintes tipos de paralisia [2]:

Monoplegia - Enfraquecimento ou paralisia de todos os m´usculos de um membro inferior ou superior.

(19)

Paraplegia - Enfraquecimento ou paralisia de ambas as pernas, dos grupos musculares abaixo da lesão e altera¸cões sobre outros orgãos e sistemas.

Quadriplegia (tetraplegia) - Enfraquecimento ou paralisia dos quatro membros (pernas e bra¸cos), dos grupos musculares abaixo da lesão (ex. músculos respiratórios) e altera¸cões sobre outros orgãos e sistemas (ex. controlo de esf´ıncteres).

Em [3], o grau da lesão é definido de acordo com a zona da medula afectada. Deste modo são consideras quatro zonas de acordo com a divisão, por segmentos, da medula (coluna vertebral):

V´ertebras cervicais (C1-C7)

V´ertebras tor´acicas (D1-D12)

Zona lombar (L1-L5)

Sacro e C´occis (S1-S5)

2.4 Limita¸c˜

oes e condicionalismos

A fase da vida de um paciente após uma lesão grave na medula é um per´ıodo muito complicado e determinante, na medida em que a pessoa tem que se adaptar ao que será, provavelmente, uma vida de incapacidade e condicionalismos definitivos.

Nesta fase de adapta¸cão é necessário elaborar um plano de ajuste à nova realidade do paciente que permita que este atinja um n´ıvel de independência, f´ısico e psicológico, o mais elevado poss´ıvel, face às suas limita¸cões. Este plano é normalmente elaborado pelo médico fisiatra que acompanhou todo o processo de desenvolvimento e recupera¸cão da lesão do paci-ente e, em conjunto com a fam´ılia, permite que este se adapte às novas circunstâncias na sua habita¸cão, trabalho e vida social.

Estas medidas dependem, obviamente, do n´ıvel neurológico da lesão da coluna vertebral do paciente. No entanto, com o recurso às novas tecnologias e inova¸cões na área de automa¸cão, é poss´ıvel adaptar as habita¸cões e locais de trabalho de forma a que estas dificuldades possam ser ultrapassadas com sucesso.

A Tabela 2.1 estabelece a correspondência entre o grau de lesão da coluna vertebral de uma pessoa com limita¸cões funcionais e as actividades que esta consegue realizar no seu dia-a-dia [4].

Analisando os dados da tabela verifica-se que, quanto mais elevado é o grau da lesão da coluna vertebral, maiores são as limita¸cões dos indiv´ıduos.

No caso de lesões de n´ıvel C4 a independência é nula. Pessoas que sofrem deste tipo de lesão medular necessitam de acompanhamento permanente para realizarem as rotinas diárias. A interaçcão com o meio exterior apenas é poss´ıvel com equipamentos adequados utilizando interfaces que permitam o controlo com a cabe¸ca (queixo, boca, testa e visão). Serão nestes casos que as ajudas técnicas, nomeadamente adapta¸cões nas habita¸cões e locais de trabalho, desempenham um papel de maior relevo.

(20)

N´ıvel de les˜ao Habilidades funcionais

C4

Dependˆencia total

Consegue utilizar uma cadeira de rodas controlando-a através do queixo Consegue escrever e utilizar um computador utilizando um suporte para boca Necessita de um sistema de automa¸cão para controlar o ambiente da casa para ligar lâmpadas, abrir portas, utilizando interfaces convenientes

C5

Consegue alimentar-se utilizando um auxiliar t´ecnico adequado Consegue lavar a cara, pentear o cabelo, lavar os dentes utilizando um auxiliar t´ecnico adequado

Consegue prestar aux´ılio ao vestir a parte superior do corpo Consegue utilizar uma cadeira de rodas para se deslocar em terrenos planos e distâncias pequenas utilizando umas luvas apropriadas Para ter mobilidade funcional necessita de uma cadeira eléctrica Não é poss´ıvel proceder à sua transferência

C6

Ainda necessita do aux´ılio de uma cinta para se alimentar Ainda necessita do aux´ılio de uma cinta para cuidados pr´oprios Consegue vestir a parte superior do corpo sem aux´ılio Consegue prestar aux´ılio ao vestir a parte inferior do corpo Consegue utilizar uma cadeira de rodas em terrenos com ligeiras inclina¸c˜oes

Consegue por vezes proceder de uma forma independente `a transferˆencia para o carro ou cama

Consegue conduzir com controlo manual

C7

Consegue ser totalmente independente ao n´ıvel dos membros superiores Consegue transferir-se, alimentar-se e vestir-se de uma forma independente Consegue conduzir com controlo manual

C8 Vida totalmente independente de uma cadeira de rodas

Tabela 2.1: Condicionalismos no dia-a-dia de uma pessoa com limita¸c˜oes funcionais

As pessoas com lesões de n´ıvel C5 e C6 possuem uma maior autonomia que no caso ante-rior, na medida em que conseguem utilizar os membros superiores para desempenhar algumas tarefas básicas. Necessitam, no entanto, de assistência técnica ou humana para desempe-nharem tarefas de complexidade mais elevada. Nas lesões de n´ıvel C7 e C8 a independência é total ou praticamente total. As ajudas técnicas, neste caso, podem ser vistas como uma melhoria do conforto e qualidade de vida, na medida em que facilitam a realiza¸cão de tarefas que de outro modo se tornariam de dif´ıcil resolu¸cão.

2.5 Conclus˜

ao

Conclui-se desta análise que, independentemente do grau de severidade da lesão neurológica, é necessário introduzir altera¸cões nas rotinas diárias e proceder a adapta¸cões nas habita¸cões e locais de trabalho de forma a melhorar a qualidade de vida dos indiv´ıduos, aumentando a sua habilidade para executar as actividades do dia-a-dia de uma forma independente.

(21)

(22)

Cap´ıtulo 3

Automa¸c˜

ao de habita¸c˜

oes para

pessoas com limita¸c˜

oes funcionais

3.1 Introdu¸c˜

ao

A estrutura da popula¸cão nos pa´ıses industriais está a alterar-se. No futuro, existirão menos indiv´ıduos para cuidar do número crescente de pessoas com limita¸cões funcionais.

Os custos de assistência de pessoas com limita¸cões funcionais em centros especializados ou em habita¸cões com assistência domiciliária são elevados e suportados em grande parte pelo Estado. Deste modo, é economicamente mais viável criar as condi¸cões adequadas para que as pessoas possam viver durante mais tempo nas suas habita¸cões. Neste contexto, as tecnologias que permitem assistir as pessoas com limita¸cões funcionais nas suas casas é vista como uma op¸cão muito atractiva.

Em [5], [6] e [7] são propostas algumas solu¸cões de domótica para pessoas com limita¸cões funcionais. Todos estes projectos real¸cam a importância do desenvolvimento de sistemas de apoio nas habita¸cões de pessoas idosas ou com algum tipo de paralisia. No entanto, a utiliza¸cão desta tecnologia apenas será uma op¸cão atractiva se for claramente demonstrado que os custos de desenvolvimento são justificados pela eficiência dos servi¸cos prestados.

3.2 Estado da arte

Nesta seçcão será efectuada uma breve discussão sobre três sistemas de domótica para pessoas com limita¸cões funcionais: Concept of Automation and Services for people with speciAl needs (CASA), Future Senior Living (FSL) - Assistive Automation e Assistive Home - Dauphi-nestrasse. Estes sistemas distinguem-se pelas funcionalidades suportadas, pelos protocolos de comunica¸cão utilizados e pelos servi¸cos fornecidos. Alguns destes sistemas ainda se encontram em fase de investiga¸cão, outros já estão numa versão comercial. Note-se que o levantamento não é exaustivo. Pretende-se apenas acrescentar sistemas do tipo do proposto nesta dis-serta¸cão dentro da panóplia de iniciativas em curso actualmente. A escolha reflecte apenas op¸cões individuais deste autor, não pretendendo inferir uma taxonomia.

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3.2.1 Concept of Automation and Services for people with speciAl needs (CASA)

Os objectivos do projecto CASA [5] eram desenvolver e testar diversas tecnologias aplicadas às habita¸cões, como um meio de suporte a pessoas com limita¸cões funcionais. Este projecto teve como base o trabalho de um projecto anterior [8], alargando os produtos dispon´ıveis e integrando tecnologias de servi¸co de apoio ao utilizador. A tecnologia desenvolvida foi instalada em três habita¸cões na cidade de Sarago¸ca e contou com a participa¸cão de uma empresa de seguran¸ca, de forma a fornecer servi¸cos de alarme.

As funcionalidades do sistema CASA instaladas em cada uma das habita¸cões, variavam consoante as necessidades de cada um dos utilizadores. Estas funcionalidades podem ser agrupadas em dois grupos: monitoriza¸cão e controlo de dispositivos domésticos. As funci-onalidades de monitoriza¸cão incluem: deteçcão de inunda¸cões, gás, fumo ou monóxido de carbono, intrusão, campainha na porta da frente quando actuada, abertura de janelas e por-tas, actividade dentro da habita¸cão, abertura da porta do frigor´ıfico por longos per´ıodos, funcionamento do forno eléctrico, ausência do utilizador da cama durante a noite, corte au-tomático no fornecimento de água numa emergência e botões de alarme e emergência. O controlo de dispositivos domésticos consiste em: operar sobre o sistema de seguran¸ca, luz da sala-de-estar e sirenes interiores e exteriores, controlar o abastecimento de água da habita¸cão, destrancar a porta da frente, solicitar aux´ılio durante uma emergência ou assistência no geral, obter informa¸cão sobre o estado da habita¸cão e receber mensagens de texto do centro de servi¸co externo.

O sistema é composto por uma unidade de controlo que recebe toda a informa¸cão dos sensores e actuadores, utilizando como meio de comunica¸cão o protocolo Power Line. A unidade de controlo é constitu´ıda por um microcomputador dedicado, ligado a um sistema de alarme telefónico comercial. Os dispositivos presentes na habita¸cão são operados localmente através de um controlo remoto em conjunto com um sistema de menus disponibilizado numa televisão, ou remotamente através da liga¸cão ao centro de apoio. A liga¸cão ao centro de apoio inclui um operador a tempo completo responsável pela monitoriza¸cão do sistema de seguran¸ca da habita¸cão, assistência em caso de emergência e servi¸co de apoio geral.

Este projecto foi completado em Fevereiro de 1997.

3.2.2 Future Senior Living (FSL) - Assistive Automation

O projecto Assistive Automation (AA) [6] integra-se num projecto de maior dimensão deno-minado Future Senior Living (FSL). O objectivo do projecto FSL é procurar solu¸cões, não exclusivamente técnicas, que permitam que as pessoas idosas vivam com melhores condi¸cões, mais tempo e maior seguran¸ca nas suas habita¸cões. Este projecto consiste na análise de diversas tecnologias, entrevistas a utilizadores, projeçcão e desenvolvimento de sistemas e de-monstra¸cões ao público. As tecnologias de interesse do projecto AA são as redes de domótica, servidores para habita¸cões, comunica¸cões sem fios e tecnologia RFID (Radio-Frequency Iden-tification).

O projecto AA é financiado por um grupo de parceiros finlandeses, composto por empresas tecnológicas, universidades, laboratórios de investiga¸cão, departamentos de servi¸cos sociais e

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associa¸cões de beneficência para pessoas idosas ou com algum tipo de deficiência.

Este projecto coopera de perto com o centro Toimiva koti (TK) (Casa Funcional). Este centro de exposi¸cões permite que os visitantes encontrem dispositivos, servi¸cos e solu¸cões de acessibilidade para pessoas idosas ou com algum tipo de invalidez. O centro é composto por dois apartamentos, duas salas de exibi¸cão e uma sala de estudo. Os apartamentos estão mobilados e equipados de forma a dar uma impressão realista do aspecto e funcionamento dos dispositivos e dos sistemas. Os visitantes podem deslocar-se na habita¸cão e experimentar os diversos dispositivos. A grande maioria dos produtos em exposi¸cão estão dispon´ıveis em versões comerciais.

3.2.3 Assistive Home - Dauphinestrasse

Em 2003 foi projectado um edif´ıcio residencial para nove pessoas com limita¸cões f´ısicas em Linz, Áustria. De modo a aumentar a independência e liberdade pessoal dos ocupantes, os apartamentos foram projectados como Assistive Homes (habita¸cões com adapta¸cões para pessoas com limita¸cões funcionais). As especifica¸cões destes apartamentos e a arquitectura técnica das infraestruturas foram definidas com base num projecto anterior, na mesma cidade, denominado Projekt Casa.

As funcionalidades presentes nos apartamentos são as seguintes: controlo de acessos, in-tercomunicador na porta de acesso principal, abertura da porta, janelas, persianas e estores, controlo da temperatura do aquecimento, fecho automático do fogão, interface IR (infraver-melhos) e sistema de aux´ılio em caso de emergência.

Cada apartamento está equipado com o seu próprio sistema de automa¸cão (EIB [9]/ Kon-nex [10]) de modo a interligar todos os dispositivos eléctricos. Este sistema é complementado com uma interface IR, que consiste em vários receptores (um por apartamento) e um descodi-ficador. Deste modo, cada apartamento pode ser controlado utilizando controlos remotos por infravermelhos. Em cada apartamento existem quatro sistemas (redes) independentes, não baseados nos sistemas EIBA/KONNEX. Estes sistemas são os seguintes: sistema de aux´ılio em caso de emergência, intercomunicador da porta de acesso principal, controlo de acessos e alarme de incêndios. Todos os dispositivos eléctricos dos apartamentos, como os interruptores para lâmpadas ou estores, estão concentrados num painel de controlo central. Deste modo, o utilizador pode operar sobre todos os dispositivos a partir do mesmo local.

3.3 Retrofitting de habita¸c˜

oes convencionais

Um dos principais custos inerentes aos sistemas de domótica de apoio a pessoas idosas ou com mobilidade condicionada reside precisamente na constru¸cão de edif´ıcios que permitam a integra¸cão deste tipo de sistemas. De facto, a maior parte das habita¸cões das pessoas com limita¸cões funcionais não foram projectadas para permitirem a instala¸cão de sistemas de domótica. Por este motivo, é recorrente utilizaram-se técnicas de adapta¸cão. Utilizar-se-á a partir de agora o tempo retrofitting na versão inglesa.

O termo retrofit deriva da expressão latina retro (movimentar-se para trás) e inglesa fit (adapta¸cão, ajuste). Surgiu na Europa e Estados Unidos, onde é uma prática muito comum.

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Esta técnica tem como objectivo revitalizar antigos edif´ıcios, aumentando a sua vida útil, através da incorpora¸cão de tecnologias modernas e da utiliza¸cão dos mais avan¸cados materiais. Nestes pa´ıses, a r´ıgida legisla¸cão não consentiu que o rico património arquitectónico fosse substitu´ıdo, abrindo espa¸co para o surgimento desta solu¸cão que permite a sua preserva¸cão, ao mesmo tempo que possibilita a utiliza¸cão adequada do imóvel.

Em qualquer das situa¸cões o retrofit implica renova¸cão. Neste sentido percebe-se que difere substancialmente da simples restaura¸cão, que consiste na restitui¸cão do imóvel à sua condi¸cão original, ou da reforma, que visa a introdu¸cão de melhorias, sem compromisso com as suas caracter´ısticas anteriores.

3.4 Aplicabilidade de solu¸c˜

oes baseadas em retrofitting

Nesta seçcão será efectuada uma descri¸cão de um protótipo de um sistema para apoio a pessoas com limita¸cões funcionais. Este sistema encontra-se no Centro de Medicina de Reabilita¸cão da Região Centro - Rovisco Pais (CMRRC-RP), de modo a permitir a adequa¸cão das solu¸cões implementadas por parte dos pacientes deste centro. O feedback destes utilizadores permitirá melhorar as funcionalidades desenvolvidas até ao momento e desenvolver novos protótipos. O objectivo último é que estas pessoas possam ultrapassar as dificuldades de funcionamento encontradas nas suas habita¸cões.

3.4.1 Caso de estudo CMRRC-RP

O CMRRC Rovisco Pais criou uma unidade destinada a ensino e forma¸cão de doentes inter-nados em reabilita¸cão e aos seus cuidadores. Essa unidade pretende treinar os doentes e os acompanhantes de modo a ultrapassar as dificuldades de realizarem, com as limita¸cões que passaram a ter, uma vida no seu ambiente normal, i.e., nas habita¸cões onde viviam antes ou onde irão viver após o cumprimento do programa terapêutico de reabilita¸cão em regime de internamento.

A unidade consiste numa série de pequenas habita¸cões que dispõem de algumas adapta¸cões f´ısicas para promover a funcionalidade dos pacientes em cadeira de rodas e/ou com outras limita¸cões de mobilidade: adapta¸cões e ajudas técnicas na casa de banho, cozinha, ligeiro aumento na largura das portas, acessos. No entanto, essas habita¸cões não se apresentam muito distintas duma habita¸cão convencional (Figura 3.1).

Demonstrador com funcionalidades b´asicas

Foi desenvolvido e instalado um demonstrador numa das habita¸cões de forma a permitir ao paciente controlar algumas funcionalidades básicas da habita¸cão, como o acesso, a ilumina¸cão, as comunica¸cões e o entretenimento. Este demonstrador permite afinar e verificar a adequa¸cão das solu¸cões implementadas, sustentando a transferência para a utiliza¸cão real.

Actualmente, as funcionalidades presentes no demonstrador s˜ao as seguintes:

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Figura 3.1: Bairro onde se situa o demonstrador B-Live no Centro Rovisco Pais Ilumina¸c˜ao: luzes e persianas.

Comunica¸c˜oes: telefone e internet.

As Figuras 3.2 e 3.3 representam, respectivamente, uma caixa de aparelhagem com o m´odulo B-Live e o m´odulo da porta de entrada.

Figura 3.2: Caixa de aparelhagem com m´odulo B-Live

A Figura 3.4 representa a planta do demonstrador B-Live. Na figura é poss´ıvel observar a localiza¸cão dos diversos módulos dispostos pela habita¸cão.

O sistema domótico presente no demonstrador é um sistema modular e distribu´ıdo. Para o efeito, existem diversos sensores e actuadores, que trocam informa¸cão entre si utilizando como meio de comunica¸cão o protocolo CAN (Controller Area Network). Os módulos são constitu´ıdos por microcontroladores dotados das interfaces adequadas. O utilizador tem ao seu dispor interfaces convencionais, como os interruptores das lâmpadas e estores, e interfaces desenvolvidas de acordo com as limita¸cões de cada utilizador.

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Figura 3.3: M´odulo B-Live (porta de entrada)

3.5 Conclus˜

ao

Neste cap´ıtulo foram apresentadas algumas solu¸cões de domótica para pessoas com limita¸cões funcionais. Este estudo permitiu verificar a importância do desenvolvimento destes sistemas, de forma a auxiliar as pessoas idosas ou com algum tipo de paralisia, nas suas habita¸cões.

Foi também definido o conceito de retrofitting, e as vantagens da sua utiliza¸cão nas ha-bita¸cões de pessoas com mobilidade condicionada.

Foi analisado o caso de estudo do CMRRC Rovisco Pais, nomeadamente os objectivos e linhas de actua¸c˜ao, bem como os benef´ıcios a retirar da experimenta¸c˜ao do sistema por parte dos pacientes do Centro.

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Cap´ıtulo 4

Sistema de dom´

otica para pessoas

com limita¸c˜

oes funcionais B-Live

4.1 Introdu¸c˜

ao

Neste cap´ıtulo será apresentado o sistema de domótica para pessoas com limita¸cões funci-onais, B-Live [11]. Este sistema tem como objectivos melhorar as condi¸cões funcionais de habitabilidade de casas convencionais para doentes com mobilidade extremamente reduzida, nomeadamente tornando-os suficientemente autónomos para que seja dispensada a presen¸ca em permanência de um acompanhante. O sistema tem em considera¸cão que a tecnologia a introduzir têm de ser de custo controlado para que a sua aplica¸cão seja viável.

Será efectuada uma descri¸cão da arquitectura do sistema, do protocolo de comunica¸cão, da arquitectura do software e das múltiplas HMIs.

4.2 Arquitectura do sistema

O sistema domótico para controlo de casas (B-Live) modular (Figura 4.1). Cada um dos módulos que o constitui pode funcionar per si, ou em conjunto com os restantes. Para o efeito existe uma rede de comunica¸cão entre todos os módulos do sistema. A introdu¸cão de novas funcionalidades no sistema é, assim, reduzida à simples opera¸cão de introduzir um ou mais módulos. Este procedimento não depende portanto do funcionamento anterior do sistema.

Como se pode ver na figura 4.2, o sistema dispõe de várias interfaces homem-máquina para comunicar com o exterior, as quais podem funcionar em simultâneo. Do ponto de vista das funcionalidades, o sistema pode receber comandos provenientes de várias interfaces distintas, HMI’s ou não (por exemplo pode-se activar um comando remotamente). Do ponto de vista de configura¸cão é poss´ıvel inquirir o sistema para obter a identifica¸cão dos módulos instalados e é poss´ıvel configurá-los remotamente.

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Figura 4.1: Arquitectura do sistema B-Live

Figura 4.2: Interac¸c˜ao do sistema B-Live com o exterior

4.2.1 Arquitectura dos m´odulos

Como foi referido na seçcão anterior o sistema B-Live é composto por módulos. As Figuras 4.3 e 4.4 representam a arquitectura de cada um dos módulos.

Figura 4.3: Arquitectura dos m´odulos B-Live

Cada módulo tem duas entradas convencionais, para actuadores manuais como interrup-tores, e quatro sa´ıdas, para actuar sobre os diferentes dispositivos que estão a ser controlados pelo módulo. Os módulos podem também receber e/ou enviar comandos através de um barramento.

A customiza¸cão dos módulos depende apenas da placa de potência ou adapta¸cão especi-alizada.

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Figura 4.4: Arquitectura interna dos m´odulos B-Live

4.3 Protocolo de comunica¸c˜

oes

Como foi referido na arquitectura do sistema B-Live, existe uma rede de comunica¸cão que interliga todos os módulos. Presentemente, essa rede é constitu´ıda pelo fieldbus Controller Area Network [12] (CAN). Este protocolo foi desenvolvido pela Bosch na década de 80 e é largamente utilizado na indústria automóvel.

Nesta seçcão será descrito o protocolo de comunica¸cão existente no sistema B-Live. Apresenta-se também a estrutura de dados e mensagens trocadas pelos módulos bem como o Apresenta-seu signi-ficado.

4.3.1 Estrutura de dados

O sistema domótico B-Live permite que os diversos módulos que o constituem troquem in-forma¸cão entre si. Para o efeito é necessário que a inin-forma¸cão esteja organizada, pelo que foi criada uma estrutura de dados espec´ıfica (4.5).

A estrutura de dados utilizada tem os seguintes campos:

IDMsg - Identifica (internamente ao m´odulo) a proveniˆencia ou o destino da mensagem (8 bit).

IDSrc - Identifica o produtor da mensagem (11 bit).

L - Tamanho do campo de dados (8 bit).

Dados - Campo de dados (array de bytes).

No software existe uma colec¸c˜ao de estruturas deste tipo armazenadas em FIFOs.

4.3.2 Estrutura das mensagens

Os módulos que constituem o B-Live podem trocar informa¸cão entre si utilizando vários suportes de comunica¸cão, correntemente CAN ou Linha Série.

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Figura 4.5: Estrutura de dados B-Live

Por consequência, existem diferentes estruturas de dados (FIFO, CAN e Linha Série) de acordo com o suporte de comunica¸cão utilizado.

FIFO

As camadas de software utilizam um FIFO para comunicar entre si. A estrutura das mensa-gens ´e a representada na Figura 4.6.

Figura 4.6: Estrutura das mensagens do FIFO

O significado dos campos é o referido na seçcão 4.3.1.

Linha Serie

A Figura 4.7 representa a estrutura das mensagens trocadas pela Linha S´erie.

Figura 4.7: Estrutura das mensagens RS232

Cada um dos campos da mensagem tem 8 bits. O significado dos campos ´e o seguinte:

% - Inicializador da mensagem.

IDSrcH - Identifica¸cão do módulo (3 bits mais significativos encostados à direita).

IDSrcL - Identifica¸c˜ao do m´odulo.

L - Tamanho do campo de dados.

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CRC - Checksum.

# - Terminador da mensagem. CAN

Quanto `as tramas trocadas por CAN, estas tˆem a estrutura da Figura 4.8.

Figura 4.8: Estrutura das tramas CAN

O significado dos campos ´e o seguinte:

IDSrc - Identifica¸c˜ao do m´odulo produtor.

L - Tamanho do campo de dados.

D0-D7 - Dados da trama.

Correspondˆencia entre as diversas estruturas

A Figura 4.9 mostra as correspondˆencias entre os diversos campos das diferentes estruturas.

Significado dos campos das mensagens

Da an´alise das Figuras 4.6, 4.7, 4.8 e 4.9 observa-se que existem campos que s˜ao comuns a todas as estruturas e campos que variam consoante o tipo de estrutura.

Figura 4.9: Correspondˆencia entre mensagens

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L - Tamanho do campos de dados.

D0 - Tipo de comando (Configura¸cão, Modifica¸cão, Opera¸cão ou Debug).

D1 - Tipo de módulos (quando o comando enviado em D0 é para altera¸cão do estado de um dispositivo, neste campo encontra-se o identificador desse dispositivo).

D2 a D7 - Identificador dos dispositivos a controlar (quando o comando enviado em D0 é para altera¸cão do estado os campos D2 e D3 contêm, respectivamente, o estado do dispositivo quando o evento foi gerado e o identificador do actuador no módulo). O campo IDMsg apenas está presente nas mensagens do FIFO:

IDMsg - Identifica a proveniˆencia da mensagem, Linha S´erie, CAN ou Dispositivo ac-tuador.

O campo IDSrc está presente nas tramas CAN e nas mensagens da Linha Série e do FIFO. No entanto, a forma como este campo é constru´ıdo é diferente consoante o meio utilizado (Figura 4.10).

Figura 4.10: Constru¸c˜ao do campo IDSrc

No caso de uma trama CAN, o campo IDSrc corresponde ao identificador da mensagem. Numa mensagem FIFO, é uma variável do tipo short, onde apenas são considerados os 11 bits menos significativos. Se a mensagem for do tipo Linha Série, são concatenados 2 bytes de dados.

O campo IDSrc é constitu´ıdo pelos valores NL (Node Location) e NN (Node Number). O primeiro é um identificador que poderá ser utilizado para identificar a divisão da casa onde se encontra o módulo, ou para agrupar módulos. Deste modo podem definir-se 7 áreas diferentes (o valor 0 é reservado). O segundo identifica o módulo dentro da divisão ou grupo.

4.3.3 Tipos de mensagens

A informa¸cão contida na estrutura de dados B-Live é utilizada para constru¸cão das mensagens que são trocadas entre os módulos. Estas mensagens podem ser de 3 tipos: configura¸cão, modifica¸cão e opera¸cão.

Em mensagens de configura¸cão ou modifica¸cão os campos de dados têm o seguinte signi-ficado:

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Dados[0] - Comando.

Dados[1] - Tipo de m´odulo.

Dados[2] a Dados[5] - Identifica¸cão dos dispositivos conforme o tipo de módulo. A informa¸cão correspondente à configura¸cão dos módulos é guardada em memória, se-gundo a disposi¸cão representada na Figura 4.11.

Figura 4.11: Disposi¸cão dos dados de configura¸cão em memória

São reservados 4 bytes para cada um dos diferentes campos de configura¸cão, que podem ser todos utilizados ou não. No campo Estado do dispositivo pode ser guardado, se necessário, o estado de um determinado dispositivo.

Em mensagens de opera¸c˜ao os campos de dados tˆem o seguinte significado:

Dados[0] - Comando de opera¸c˜ao.

Dados[1] - Identificador do dispositivo.

Dados[2] - Estado do dispositivo quando o evento foi gerado (se necess´ario).

Dados[3] - Ordem do dispositivo no m´odulo (se necess´ario).

4.3.4 Comandos e seu significado

No sistema B-Live existem diversos comandos que permitem operar sobre os m´odulos e os dispositivos que lhes est˜ao associados.

Apresentam-se de seguida os comandos do sistema B-Live e o seu significado:

C - Configura¸cão, permite configurar os módulos: n´umero e localiza¸cão, tipo de dispo-sitivo a controlar, dispodispo-sitivos associados e suas configura¸cões.

M - Modifica¸c˜ao, permite alterar/configurar os dispositivos controlados pelos m´odulos.

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F - Fecho / Off, desactiva o dispositivo.

A - Altera¸c˜ao de estado, altera o estado actual de um dispositivo.

S - Leitura de estado, envia para a rede a configura¸c˜ao do m´odulo.

R - Resposta ao PC, envia para o módulo que faz a interface com o PC a configura¸cão do módulo.

B - Comandos do menu recitado, comando espec´ıfico para o Menu Recitado (esta fun-cionalidade est´a especificada adiante neste texto).

D - Debug, permite verificar erros no c´odigo.

4.4 Identifica¸c˜

ao dos m´

odulos

Actualmente o sistema B-Live ´e composto pelos seguintes m´odulos:

Interface PC. Estores. Lˆampadas. Portas. Autoclismo. Dispensador de comida. Tomadas.

Sistema para disponibilizar Menu Recitado.

Interface PC

O módulo interface PC permite interligar o sistema B-Live com um computador (Figura 4.12). Assim, é poss´ıvel efectuar a troca de informa¸cão entre um sistema computacional e o sistema B-Live.

Estores

Este módulo permite o controlo de um estore eléctrico, nomeadamente as opera¸cões de aber-tura e fecho (Figura 4.13). O módulo pode ser operado utilizando um interruptor convencional local (interruptores ligados fisicamente ao módulo) ou por interruptores remotos associados ao módulo.

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Figura 4.12: M´odulo B-Live Placa de Controlo

Figura 4.13: M´odulo B-Live Estores

Lˆampadas

O módulo de lâmpadas permite o controlo de duas lâmpadas, nomeadamente as opera¸cões ligar e desligar (Figura 4.14). O módulo pode ser operado utilizando dois interruptores convencionais locais ou por interruptores remotos associados ao módulo.

Figura 4.14: M´odulo B-Live Lˆampadas

Portas

O módulo de portas permite o controlo de uma porta, nomeadamente as opera¸cões abrir e fechar. A arquitectura deste módulo é a mesma que no módulo de estores (Figura 4.13). Por motivos de seguran¸ca, o módulo apenas pode ser operado utilizando um interruptor convencional local.

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Autoclismo

O módulo de autoclismo permite efectuar a descarga da água do reservatório tanque. O módulo pode ser operado utilizando um interruptor sem contacto (infravermelhos).

Dispensador de comida

O módulo dispensador de comida permite disponibilizar até quatro produtos alimentares ou refrigerantes (Figura 4.15). Em conjunto com as interfaces do sistema B-Live e de um código de luzes presentes na zona superior do dispensador de comida, é poss´ıvel executar as opera¸cões de abertura e fecho da gaveta do dispensador e seleccionar o produto.

Figura 4.15: M´odulo B-Live Dispensador

Tomadas

Este módulo permite o controlo de uma tomada (Figura 4.16). É poss´ıvel, deste modo, efectuar um controlo on/off dos equipamentos eléctricos que se encontram ligados às tomadas da habita¸cão. O módulo pode ser operado utilizando um interruptor convencional local.

Figura 4.16: M´odulo B-Live Tomadas

M´odulo para disponibilizar Menu Recitado

Este módulo em conjunto com um sistema de colunas permite recitar as faixas de áudio pré-gravadas no integrado de som. A informa¸cão gravada nas faixas corresponde aos dispositivos existentes no sistema.

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Todos estes módulos são pass´ıveis de ser operados por interfaces espec´ıficas e de acordo com a limita¸cões dos utilizadores. Estas interfaces serão descritas com maior detalhe na seçcão 4.7.

4.5 Esquemas e organiza¸c˜

ao das placas

Como ilustrado na Figura 4.4, os módulos B-Live são constitu´ıdos pela Placa de Controlo e Placa de Potência ou Especialidade. Esta seçcão pretende fazer uma descri¸cão funcional de cada uma das placas.

Placa de Controlo

A placa de controlo é o cora¸cão dos módulos B-Live. ´E responsável pelas comunica¸cões entre os módulos, por todo o processamento necessário para ler os interruptores e actuar nos dispositivos.

Nesta placa est˜ao dispon´ıveis as seguintes liga¸c˜oes (Figura 4.17):

Figura 4.17: Placa de Controlo JP1 - Liga¸cão à placa de potência ou especialidade.

JP2 - Alimenta¸c˜ao (12 VDC).

JP3 - Linha s´erie.

JP4 - Liga¸c˜ao para programador.

JP5 - CAN

JP6 - CAN

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Placa de Potˆencia

Nesta seçcão serão apresentadas as placas de potência, responsáveis pela liga¸cão dos disposi-tivos à placa de controlo.

Placa BTA26

Esta placa é utilizada nos módulos de controlo de tomadas, e permite a liga¸cão de uma única tomada.

Os três conectores nela existentes têm as seguintes fun¸cões (Figura 4.18):

Figura 4.18: Placa de BTA26 C1 - Liga¸c˜ao `a placa de controlo.

P1 - Entrada de potˆencia (230 VAC).

P2 - Sa´ıda de potˆencia. Placa BT139

A placa de potência BT139 é utilizada nos módulos de ilumina¸cão, e permite a liga¸cão de dois interruptores e duas lâmpadas.

A placa tem seis conectores, com as seguintes fun¸c˜oes (Figura 4.19):

C1 - Liga¸c˜ao `a placa de controlo.

S1 - Liga¸c˜ao a um interruptor.

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Figura 4.19: Placa de BT139 L2 - Sa´ıda para uma lˆampada.

P1 - Entrada de potˆencia (230 VAC). Placa de MOSFETs

Esta placa é utilizada em dispositivos de baixo consumo, como por exemplo, electroválvulas. As liga¸cões nela dispon´ıveis são (Figura 4.20):

Figura 4.20: Placa de MOSFETs C1 - Liga¸c˜ao `a placa de controlo.

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S2 - Liga¸cão a um interruptor. M1 - Sa´ıda 1 (0 ou 12 VDC). M2 - Sa´ıda 2 (0 ou 12 VDC). M3 - Sa´ıda 3 (0 ou 12 VDC). M4 - Sa´ıda 4 (0 ou 12 VDC). VCC - Alimenta¸cão (12 VDC). GND - Massa. Placa de Relés

Utiliza-se esta placa nos m´odulos de controlo das portas e dos estores. Na placa podem-se encontrar as seguintes liga¸c˜oes (Figura 4.21):

Figura 4.21: Placa de Relés C1 - Liga¸cão à placa de controlo.

S1 - Liga¸cão a um interruptor. S2 - Liga¸cão a um interruptor. R1 - Sa´ıda 1 (0 ou 5 VDC). R2 - Sa´ıda 2 (0 ou 5 VDC). R3 - Sa´ıda 3 (0 ou 5 VDC). R4 - Sa´ıda 4 (0 ou 5 VDC). VCC - Alimenta¸cão (12 VDC).

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Placa do Menu Recitado

Esta placa é utilizada no módulo Menu Reciado. A sua fun¸cão é disponibilizar a sa´ıda de áudio e recolher os sinais dos interruptores.

Na placa podem-se encontrar as seguintes liga¸c˜oes (Figura 4.22):

Figura 4.22: Placa de Menu Recitado C1 - Liga¸c˜ao `a placa de controlo.

J1 - Sa´ıda de ´audio para as colunas.

J1 - Entrada de ´audio para grava¸c˜ao.

4.6 Software B-Live

O software B-Live é comum a todos os módulos. As funcionalidades que cada módulo adquire são definidas posteriormente através do processo de configura¸cão.

Na seçcão seguinte será efectuada uma descri¸cão da arquitectura do software B-Live.

4.6.1 Arquitectura do software

A arquitectura do software dos módulos B-Live encontra-se dividida em três componentes (Figura 4.23): Application, Drivers e Hardware Interfaces. Dependendo das funcionalidades dos módulos podem existir diferentes drivers que estabelecem a liga¸cão entre as componen-tes Application e Hardware Interfaces. A Application executa diferencomponen-tes gestores de modo a executar diversas tarefas: armazenar a configura¸cão (Config Manager ) e estados (Status

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Manager ) dos módulos, definir as fun¸cões espec´ıficas dos módulos (Specific Function Ma-nager ), gerir as comunica¸cões locais (Local Communication MaMa-nager) e remotas (Remote Communication Manager) e as sa´ıdas/entradas digitais (Digital I/O Manager).

Figura 4.23: Arquitectura do software B-Live

O motivo que levou à escolha desta arquitectura deve-se ao facto de os módulos poderem utilizar vários protocolos de comunica¸cão locais (SPI, I2C, etc.) e remotos (CAN, ZigBee, Ethernet, etc.) em simultâneo. Deste modo, um driver (LCOMDRV) é responsável pela gestão de todas as comunica¸cões locais, enquanto o outro driver (RCOMDRV) faz a gestão das comunica¸cões remotas. Esta op¸cão comparando com a utiliza¸cão um driver para cada um dos protocolos de comunica¸cão, permite reduzir a complexidade da camada de drivers e simplifica a coordena¸cão entre as comunica¸cões locais ou remotas. Deste modo é poss´ıvel escalonar comunica¸cões locais e remotas de acordo com os parâmetros especificados pelo utilizador/aplica¸cão (por exemplo, prioridade).

4.7 Opera¸c˜

ao do sistema B-Live

Um dos aspectos mais importantes no desenvolvimento de sistemas de domótica para pessoas com limita¸cões funcionais são as Interfaces Homem-Máquina (HMIs) [13]. De facto, não basta desenvolver sistemas de baixo custo, robustos, fiáveis e com diversas funcionalidades; é necessário que o utilizador final disponha de interfaces intuitivas e de fácil utiliza¸cão para operar sobre os sistemas [14] e [15].

Uma das principais caracter´ısticas do B-Live é a modularidade e facilidade de adapta¸cão às necessidades dos utilizadores.

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Tendo em conta as necessidades espec´ıficas de cada utilizador podem ser utilizadas v´arias interfaces para interagir com o B-Live. Actualmente, as interfaces dispon´ıveis para o sistema B-Live s˜ao as seguintes:

Computador.

Telem´ovel.

Interface feita por medida.

Interruptores de boca (IntegraMouse e IntegraSwitch [16]).

Interruptores convencionais.

PC

Quando existe um computador, este pode ser utilizado para operar sobre o B-Live, utilizando uma interface adequada para o efeito (Figura 4.24).

Figura 4.24: Interface B-Live PC

A utiliza¸cão desta interface é bastante simples. Para actuar sobre os diversos dispositivos basta seleccionar o botão correspondente ao dispositivo e respectiva opera¸cão.

Telem´ovel

No telem´ovel existe uma aplica¸c˜ao em forma de menu, a partir da qual se pode controlar o B-Live.

Interface feita por medida

Os utilizadores que apresentem graves limita¸c˜oes, impeditivas de utilizar o telem´ovel ou o computador, podem recorrer a interfaces feitas por medida. A interface da cadeira

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enquadra-se neste contexto (Figura 4.25).

Figura 4.25: Interface cadeira

A Interface da cadeira não é mais que um interruptor de alta sensibilidade com comu-nica¸cão por rádio frequência, o qual está pensado para ser utilizado por pessoas com mobili-dade bastante reduzida.

IntegraMouse e IntegraSwitch

O IntegraMouse e o IntegraSwitch (Figura 4.26) são interfaces Homem-máquina, para pessoas com graves limita¸cões funcionais.

O IntegraMouse apresenta as mesmas funcionalidades que um rato para computador con-vencional. A principal diferen¸ca é que este é operado através da boca, lábios para o movimento e sopro para simular os botões. O utilizador com limita¸cões pode recorrer ao IntegraMouse para operar o menu do computador referido anteriormente.

Figura 4.26: Interface interruptor e rato de boca

Quando as limita¸cões dos utilizadores não permitem o recurso à interface da cadeira, o IntegraSwitch pode ser utilizado em substitui¸cão. O sentido do ar (Expira¸cão ou Inspira¸cão) no IntegraSwitch simula os botões da interface da cadeira. A associa¸cão entre o sentido do ar e o interruptor da interface da cadeira pode ser escolhido pelo utilizador. Para tal basta fazer a liga¸cão entre o IntegraSwitch e o emissor RF de forma conveniente.

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Interruptores convencionais

Os utilizadores com menor grau de limita¸c˜ao ou os acompanhantes dos pacientes podem utilizar os interruptores convencionais para interagir com o B-Live (Figura 4.27).

Figura 4.27: Interruptores convencionais

4.8 Conclus˜

ao

Neste cap´ıtulo foi apresentando o B-Live, um sistema de domótica para pessoas com limita¸cões funcionais, de baixo custo, descentralizado e que utiliza técnicas de retrofitting. Foram des-critos a arquitectura do sistema, o protocolo de comunica¸cão, a arquitectura do software e as múltiplas HMIs.

O barramento de comunica¸cão que interliga os módulos do sistema é baseado numa solu¸cão cablada. Nos cap´ıtulos seguintes serão discutidas alternativas a esta solu¸cão, nomeadamente outras solu¸cões cabladas (Power Line) e solu¸cões sem fios (Bluetooth, Wi-Fi, Ultra Wide-Band e ZigBee).

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Cap´ıtulo 5

An´

alise de solu¸c˜

oes de comunica¸c˜

ao

alternativas

5.1 Introdu¸c˜

ao

Neste cap´ıtulo será efectuado um estudo sobre solu¸cões alternativas ao barramento de co-munica¸cões presente no sistema de domótica B-Live. Será analisado o protocolo Power Line Communications que opera sobre a rede eléctrica, nomeadamente a arquitectura protocolar, alguns protocolos que se baseiam neste meio de comunica¸cão e os inconvenientes da utiliza¸cão desta tecnologia. No final do cap´ıtulo será efectuado um estudo comparativo entre solu¸cões cabladas e solu¸cões sem fios. Será dada especial ênfase à problemática da utiliza¸cão das tecnologias sem fios.

5.2 Power Line Communications (PLC)

O termo Broadband over Power Lines (BPL), também conhecido como Power Line Commu-nications (PLC), é utilizado para descrever a utiliza¸cão das linhas eléctricas como o meio de suporte às redes de comunica¸cão de alta velocidade. A utiliza¸cão das linhas eléctricas nas comunica¸cões, não é uma ideia recente. Tradicionalmente, o termo power-line carrier tem sido utilizado para referir a utiliza¸cão das linhas eléctricas como um meio de comunica¸cão [17].

As companhias eléctricas aplicaram tecnologias como Supervisory Control and Data Acqui-sition (SCADA) [18] nas linhas de corrente eléctrica, de forma a enviar comandos de controlo para esta¸cões remotas ou sub-esta¸cões. Os responsáveis pela manuten¸cão das linhas eléctricas utilizavam dispositivos de rádio que serviam como meio de comunica¸cão entre si. Nos edif´ıcios, há vários anos que existem sistemas de intercomunicador que fazem uso das linhas eléctricas para proceder à transmissão de dados áudio. Nas residências, existem sistemas que, quando aplicados às tomadas, permitem efectuar um controlo on/off temporal dos dispositivos que se encontram ligados à rede eléctrica [19].

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de modo a fornecer comunica¸cões de banda larga de alto débito. Para atingir este fim, a tecnologia BPL opera em frequências mais elevadas que as comunica¸cões PLC tradicionais (tipicamente entre os 2 e 80 MHz). A Federal Communications Commission (FCC) [20] considera a tecnologia BPL uma forma de fazer chegar as comunica¸cões de banda larga às zonas remotas/rurais, onde os custos de cria¸cão de infraestruturas e instala¸cão de liga¸cões por cabo ou DSL são muito elevados. Entre 1996 e 2004 foram efectuados diversos estudos com o intuito de analisar as potencialidades da tecnologia BPL [21].

Reconhecendo o potencial da tecnologia BPL, em Julho de 2004, o IEEE come¸cou a tra-balhar na especifica¸cão P1675 Standard for Broadband over Power Line Hardware [22]. O objectivo da especifica¸cão era ”desenvolver um padrão de instala¸cão do hardware necessário nas linhas de distribui¸cão”e ”definir as normas de seguran¸ca da instala¸cão do equipamento BPL”. Em Julho de 2005, o IEEE iniciou o trabalho na especifica¸cão P1901 Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifi-cation [23]. O objectivo desta especifica¸cão era ”criar um canal BPL equilibrado e eficiente, cuja largura de banda e qualidade do servi¸co fosse a adequada para todos os utilizadores”.

5.2.1 Descri¸c˜ao geral

O mercado PLC pode ser dividido em dois segmentos: as comunica¸cões de banda larga para as habita¸cões - last mile (Figura 5.1 [24]) e as comunica¸cões dentro das habita¸cões - last inch (Figura 5.2 [24]).

Figura 5.1: Acesso da banda larga PLC

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modems por cabo, xDSL (Digital Subscriber Lines) e comunica¸cões sem fios de elevada largura de banda. Nesta perspectiva, a grande vantagem das comunica¸cões PLC é a utiliza¸cão dos cabos de corrente eléctrica como meio de transmissão de dados. Como este meio já se encontra implantado, não é necessário criar infraestruturas alternativas, o que implica uma redu¸cão de custos. Deste modo, este deve ser o meio preferencial para fornecer comunica¸cões de largura de banda elevada em meios rurais ou remotos, onde o telefone e as liga¸cões por cabo não existem.

Figura 5.2: Rede dom´otica PLC

O acesso last inch compreende um vasto conjunto de equipamentos eléctricos conectados no interior das habita¸cões por uma rede interna (in-home). Esta rede pode transformar todas as tomadas eléctricas da habita¸cão em liga¸cões de banda larga para computadores pessoais, telefones e seus acessórios, bem como para outros dispositivos electrónicos.

Em Mar¸co de 2000, um grupo de empresas formou a alian¸ca HomePlug Powerline [25]. Na medida em que a maior parte dos dispositivos electrónicos utilizam as tomadas eléctricas para receber energia, o objectivo da alian¸ca foi criar uma forma de utilizar as mesmas tomadas e fios eléctricos, para ligar os dispositivos entre si e a Internet. A alian¸ca atingiu este objectivo analisando diversas tecnologias, que culminou na cria¸cão da especifica¸cão HomePlug 1.0 em Junho de 2001.

5.2.2 Arquitectura

Um dos aspectos a ser considerado na tecnologia PLC é a diferente certifica¸cão de acordo com a zona do Mundo onde a tecnologia é utilizada. Os aspectos mais importantes definidos pelas especifica¸cões são a potência máxima de transmissão e a largura de banda permitida.

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Estas restri¸cões são impostas de forma a limitar a interferência de outros servi¸cos de teleco-munica¸cões e uma medida para, no futuro, evitar a contamina¸cão do espectro de frequências.

(a) (b)

Figura 5.3: Espectro de frequˆencias da tecnologia PLC

A especifica¸cão Europeia CENELEC EN 50065-01 [26] define limita¸cões muito rigorosas e uma largura de banda reduzida nas comunica¸cões PLC. Na Europa, esta tecnologia apenas pode operar na banda do espectro de frequências de 95 a 150 KHz (Figura 5.3 (a)) enquanto que no Norte da América o espectro é maior (540 KHz) (Figura 5.3 (b)).

Camada F´ısica (PHY)

Várias técnicas de modula¸cão como Frequency Shift Keying (FSK), Code Division Multiple Access (CDMA) ou Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), foram propostas como esquemas de modula¸cão apropriados para a tecnologia PLC. Em aplica¸cões com baixas taxas de transmissão e baixo custo, como proteçcão das linhas eléctricas ou telemetria, a modula¸cão FSK é vista como uma boa solu¸cão. Para taxas de transmissão na ordem de 1 Mbps, a técnica CDMA é uma solu¸cão eficiente. No entanto, para elevadas taxas de trans-missão, a modula¸cão mais adequada é a OFMD, na medida em que esta técnica elimina alguns problemas presentes nas outras modula¸cões (Intersysmbol Interference (ISI) e Fading [24]).

Camada de Controlo de Acesso ao Meio (MAC)

V´arios protocolos de controlo de acesso ao meio tˆem sido propostos para a tecnologia PLC: Carrier Sense Multiple Access (CSMA), Collision Detection (CSMA/CD) e Collision Avoi-dance (CSMA/CA).

As principais vantagens do protocolo CSMA são o baixo custo de implementa¸cão e a eficiência na transmissão de tráfego de baixa/média carga. No entanto, para cargas mais elevadas, este protocolo não é o mais eficiente. Uma solu¸cão melhor seria a utiliza¸cão do pro-tocolo CSMA/CD. Neste propro-tocolo, depois de uma transmissão, o canal é escutado de forma a verificar se ocorreu alguma colisão. Caso tenha ocorrido, aguarda-se um determinado tempo até se proceder à retransmissão da informa¸cão. Na tecnologia PLC, a grande varia¸cão do sinal recebido e os n´ıveis de ru´ıdo tornam a utiliza¸cão deste protocolo dif´ıcil e pouco fiável. Uma alternativa ao método anterior é a utiliza¸cão do protocolo CSMA/CA. Neste método, antes de ser efectuada uma transmissão, cada nó sinaliza aos restantes a sua inten¸cão de iniciar uma transmissão. Embora este método necessite de um overhead superior, globalmente, as taxas de transmissão são superiores na medida em que são necessárias menos retransmissões. O