UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA
TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ANDREW BUENO GOMES
GUILHERME DE ALMEIDA CARDOSO DA SILVA RAPHAEL GELACKI
AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL
UTILIZANDO UMA PLATAFORMA DE BAIXO CUSTO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
PONTA GROSSA 2016
ANDREW BUENO GOMES
GUILHERME DE ALMEIDA CARDOSO DA SILVA RAPHAEL GELACKI
AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL
UTILIZANDO UMA PLATAFORMA DE BAIXO CUSTO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial à obtenção do título de Tecnólogo em Tecnologia em Automação Industrial, da Coordenação de Eletrônica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Orientador: Prof. Jeferson J. Lima, MSc.
PONTA GROSSA 2016
TERMO DE APROVAÇÃO
AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL UTILIZANDO UMA PLATAFORMA DE BAIXO CUSTO
por
ANDREW BUENO GOMES
GUILHERME DE ALMEIDA CARDOSO DA SILVA RAPHAEL GELACKI
Este Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) foi apresentado em 22 de junho de 2016 como requisito parcial para a obtenção do título de Tecnólogo em Automação Industrial. Os candidatos foram arguidos pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
_______________________________ Prof. Jeferson Lima, Msc.
Prof. Orientador
_______________________________ Eduardo Moletta, Msc.
Membro titular
_______________________________ Julio Cesar Guimarães, Msc.
Membro titular
- O TERMO DE APROVAÇÃO ASSINADO ENCONTRA-SE ARQUIVADO NA SECRETARIA ACADÊMICA -
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Campus Ponta Grossa
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a Deus por ter nos dado saúde e paciência na elaboração deste projeto.
Ao nosso professor orientador, pelo suporte em todos os momentos em que precisamos.
Dedico este trabalho aos p r o f e s so r e s , pais e familiares, pela ajuda e incentivo por todos esses anos.
RESUMO
GOMES, Andrew Bueno; SILVA, Guilherme de Almeida Cardoso; GELACKI, Raphael. Título do trabalho: Automação Residencial Utilizando uma Plataforma de Baixo Custo. 2016. 50. Trabalho de Conclusão de Curso (Tecnologia Automação Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Ponta Grossa,2016.
Esse trabalho tem como conceito a Automação Residencial ou também conhecida como domótica, para fins de conforto, segurança, mas principalmente acessibilidade. Para tal, utiliza-se a plataforma de prototipagem eletrônica Arduino, para controlar, acionar e monitorar portas e a iluminação do local. Tudo isso sendo representado em uma maquete de residência, utilizando LEDs (Light Emitting Diodes) e micro servos motores. Para o controle e monitoramento, uma página Web será disponibilizada, tornando possível a utilização de Smatphones, computadores, Tablets, entre outros dispositivos. Uma vantagem na montagem de um protótipo de automação residencial utilizando a plataforma Arduino é o baixo custo, o que tornam as ideias deste trabalho viáveis. A modernização de uma residência é muito requisitada na atualidade, porém os quesitos conforto e segurança são quase unanimidade, não tendo um verdadeiro sentido ético. Ajudar pessoas que encaram atividades simples do nosso dia a dia é o principal objetivo deste trabalho, tornando à tecnologia sua aliada.
Palavras-chave: Automação residencial. Plataforma Arduino. Acessibilidade. Domótica. Maquete.
ABSTRACT
GOMES,Andrew Bueno; SILVA, Guilherme de Almeida Cardoso; GELACKI, Raphael. Title of the working: Residential Automation Using A Low Cost Platform. 2016. 50. Trabalho de Conclusão de Curso (Tecnologia Automação Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Ponta Grossa,2016.
This work has as concept the Residences Automation or also known as home automation, for purpose of comfort, safety, but mainly accessibity. To do this, we use the electronics prototyping platform Arduino to control, operate and monitor doors and lighting of the local. All this being represented in a residence model, using LEDs (Light Emitting Diodes) and micro servo motors. For control and monitoring, a web page will be available, making it possible to use smartphones, computers, tablets, and other devices. An advantage in the assembly of a home automation prototype using the Arduino platform is the low cost, which makes the ideas in this work feasible. Nowadays the modernization of a residence is very much on demand, but the comfort and safety questions are almost unanimously, not having a real ethical sense. Helping people who treat simple activities of our daily is the main objective of this work, making the technology your ally.
Keywords: Residences Automation. Arduino Platform. Accessibility. Home Automation. Model.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Arduino Uno ... 20
Figura 2 - Arduino Mega ... 21
Figura 3 - Ethernet Sheld ... 22
Figura 4 – Modulo de Relés ... 22
Figura 5 – Módulo Dimmer AC ... 23
Figura 6 – Página Web... ... 26
Figura 7 – Diagrama do Sistema ... 27
Figura 8 – Vista Frontal da Maquete ... 30
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Cronograma ... 33 Tabela 2 – Recursos Financeiros ... 34
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS
AC Alternating Current
ADC Analogic Digital Converter
ANSI American National Standards Institute AR Automação Residencial
ARPA Agência de Projetos de Pesquisas Avançadas AURESIDE Associação Brasileira de Automação Residencial AVAC Aquecimento, ventilação e ar condicionado CA Corrente alternada
CD Compact Disc
CERN Centre European pour la Recherche Nucheaire CI Circuito Integrado
CPU Central Única de Processamento DC Direct Current
DNS Domain Name Server
EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory FTDI Future Technology Devices International
HBS Home Bus System
HTML HyperText Markup Language HTTP Hypertext Transfer Protocol
I/O Input/Output
ICQ Mensageiro Instantâneo ICSP In Circuit Serial Programming
IDE Integrated Development Environment IP Internet Protocol
LAN Local Area Network LCD Liquid Crystal Display LED Light Emitter Diode
MAN Metropolitan Area Network MCU Micro Controler Unit
M.D.F. Medium-Density Fiberboard MSN Mensageiro Instantâneo PAN Personal Area Network PC Personal Computer
PHP/FI Personal Home Page Tools/Forms Interprete PWM Pulse Width Modulation
RAM Randon Access Memory ROM Read Only Memory RTC Relógio de Tempo Real
SGML Standard Generalized Markup Language SPI Serial Peripheral Interface
SRAM Static Ramdon Access Memory SRI Stanford Research Institute SSI Server Side Includes
SSL Secure Sockets Layer
TCC Trabalho de Conclusão de Curso TCP Transmission Control Protocol TRIAC Triode for Alternating Current
UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter UCLA Universidade da Califórnia – Los Angeles UCSB Universidade da Califórnia – Santa Bárbara ULA Unidade Lógica Aritmética
USB Universal Serial Bus
VAX Arquitetura de Computadores de 32 bits. WAN Wide Area Network
WATTS Unidade de Potência no Sistema Internacional de Unidades WI-FI WIRELESS FIDELITY
SUMÁRIO CONTEÚDO 1 INTRODUÇÃO ... 13 2 TEMA DA PESQUISA ... 14 3 DELIMITAÇÃO DO TEMA ... 14 4 PROBLEMA ... 14 5 HIPÓTESE / PREMISSA ... 14 6 OBJETIVOS ... 15 6.1 OBJETIVO GERAL ... 15 6.2 OBJETIVO ESPECÍFICO ... 15 7 JUSTIFICATIVA ... 16 8 MÉTODO DA PESQUISA ... 16 8.1 DESENVOLVIMENTO DA PESQUISA ... 17 8.1.1 A Automação Residencial ... 17
8.1.2 O Mercado da Automação Residencial ... 18
8.1.3 Placa de Rápida Prototipagem: Arduino... 19
8.1.4 Shields Para Arduino ... 21
8.1.5 Redes E Seu Funcionamento ... 23
8.1.6 Programação Do Arduino ... 24 8.1.7 Programação Web ... 25 8.1.8 Servidores Web ... 26 9 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ... 26 9.1 CONTRUÇÃO DA MAQUETE ... 28 9.2 OPERAÇÃO DO SISTEMA ... 30 10 MELHORIAS ... 31 11 CONCLUSÃO ... 32 12 CRONOGRAMA ... 33 13 RECURSOS ... 33 13.1 RECURSOS HUMANOS... 33 13.2 RECURSOS FÍSICOS ... 33 13.3 RECURSOS FINANCEIROS ... 34 REFERÊNCIAS ... 35 APÊNDICE A ... 38
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1 INTRODUÇÃO
Atualmente, com o acelerado desenvolvimento tecnológico, a internet está ao alcance da maioria da população mundial, através de computadores, smartphones,
tablets, etc., é possível tornar as residências mais inteligentes, seguras e funcionais,
surgindo então o termo “domótica”.
“A domótica, ou automação predial/residencial, é uma nova tecnologia que permite a gestão de vários recursos prediais de forma automatizada.” (ALIEVI, 2008). Utilizando determinados sistemas eletrônicos, baseados em programação de microprocessadores para facilitar tarefas diárias de forma prática e com segurança.
O projeto de automação residencial em estudo consiste no desenvolvimento de um sistema supervisório web capaz de operar diversos equipamentos. Para isso será desenvolvido um protótipo representando uma residência. No mesmo os conhecimentos adquiridos no Curso de Tecnologia em Automação Industrial serão utilizados para tornar atividades cotidianas mais simples, modernas e seguras.
Deste modo, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento um dispositivo prático e de baixo custo, para prover as pessoas portadoras de necessidades especiais uma maior autonomia com conforto e segurança, através de monitoramento e controle dos equipamentos de sua residência, que pode ser feito por smartphones, computadores, tablets.
O Arduino é comumente chamado de plataforma de computação física ou embarcada, ou seja, um sistema que pode interagir com seu ambiente por meio de hardware e software. Há uma grande comunidade de pessoas utilizando Arduinos, compartilhando seus códigos e diagramas de circuito para que outros os copiem e modifiquem. A maioria dessa comunidade também está muito disposta a auxiliar outros desenvolvedores (McROBERTS, 2011).
Tanto o hardware e software do Arduino são denominados de código aberto, portanto códigos, projetos, esquemas pode ser utilizados por qualquer pessoa para qualquer finalidade.
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2 TEMA DA PESQUISA
O tema deste projeto consiste na elaboração de um protótipo automatizado de uma residência para fins de adaptação, acessibilidade e de segurança, tudo isso controlando remotamente aparelhos locais.
3 DELIMITAÇÃO DO TEMA
Automatização de um protótipo residencial com um sistema microcontrolador com baixo custo para controle e monitoramento remoto de dispositivos eletrônicos, através de hardware livre Arduino e implementação de supervisório via página web, possibilitando o controle através de smartphones, tablets ou computadores.
4 PROBLEMA
Os principais problemas verificados na automatização de um protótipo residencial são: aspectos de segurança em relação a monitoramento mesmo estando em outro local, a falta de energia vai interromper a comunicação, dependendo do local o projeto da residência pode encontrar alguns obstáculos para sua instalação. A variação do custo dos equipamentos inviabiliza uma maior utilização.
O Arduino Uno tem uma delimitação de 14 portas digitais, sendo apenas 6 PWM e pouca memória, apenas 32 KB, analisando isso foi utilizado o modelo Mega, pois ele possui 256KB de memória flash, 54 portas digitais que entre essas 14 são PDM. Com o Uno a programação ocuparia muita memória, tornando-o instável.
5 HIPÓTESE / PREMISSA
Pretende-se desenvolver um sistema que permita realizar através de dispositivos eletrônicos como Plataforma Arduino juntamente com sensores, relés e servo motores, a automatização de atividades diárias residenciais antes feitas de maneiras tradicionais, otimizando o controle e utilização principalmente por pessoas portadoras de necessidades especiais. É possível “assim conceber o funcionamento de cada sistema em função do resultado de uma matriz de eventos e resultados,
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concebida e adaptada às preferências e necessidades de cada indivíduo, preparada para ser ajustada dinamicamente no tempo” (ALVES & MOTA, 2003).
6 OBJETIVOS
6.1 OBJETIVOGERAL
O objetivo deste projeto é o desenvolvimento de uma opção em automação residencial, implementando um sistema eletrônico para diversos equipamentos com a proposta de tornar o ambiente residencial mais acessível para portadores de deficiência física.
O projeto consiste em efetuar o controle de iluminação, abertura de portas e portão, e irrigação utilizando como meio de controle a plataforma livre Arduino, e o supervisório para efetuar essas ações será uma página da internet. Essa integração será possível comunicando o Arduino com uma rede wi-fi, e através de um
smartphone, tablet ou computador, a pessoa consiga se locomover entre os cômodos,
abrindo e fechando as portas, acendendo e apagando as luzes através de uma página
web que mandará comandos diretamente para o Arduino.
6.2 OBJETIVOESPECÍFICO
Seguem as etapas para o desenvolvimento do projeto.
Primeira etapa: Efetuar a montagem do protótipo da residência a no qual será aplicado as ideias deste trabalho e instalação de equipamentos.
Segunda etapa: Desenvolver o software para o arduino e também da página de controle web, e a escolha do protocolo de comunicação TCP/IP.
Terceira etapa: Efetuar a montagem final integrando o software ao protótipo e testes de operação através de smartphones.
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7 JUSTIFICATIVA
Por se tratar de um projeto que oferecerá conforto e uma maior facilidade para as pessoas com necessidade de locomoção, uma vez que é possível fazer a integração de diversos ambientes tais como: iluminação, irrigação e abertura de portão eletrônico e portas, usando seu computador, celular, tablet ou fisicamente nos interruptores é que este projeto se mostra viável.
Tem-se como objetivo principal a questão de acessibilidade, adaptar diferentes situações do cotidiano para as pessoas portadoras de deficiência, assim promovendo maior conforto e independência em atividade antes difíceis ou até mesmo impossíveis de serem feitas por elas.
Para este projeto proposto, será adotado o Arduino Mega, que é um kit de desenvolvimento com microcontrolador com baixo custo e ampla integração com diversos tipos de sensores e módulos de acionamento, possuindo também uma linguagem de programação de fácil manuseio, será utilizado um periférico auxiliar chamado de Shield Ethernet, o qual possibilitará a conexão do Arduino pela rede wifi, tornando possível o controle dos ambientes.
8 MÉTODO DA PESQUISA
Segundo Gil (2008), uma pesquisa caracteriza-se como exploratória quando têm como principal finalidade desenvolver conceitos e ideias, tendo em vista a formulação de problemas mais precisos ou hipóteses pesquisáveis para estudos posteriores, logo esta pesquisa caracteriza-se como exploratória, com a finalidade de reunir dados e informações a respeito de domótica, da programação do kit Arduino, bem como suas aplicações para ligar e desligar pontos a serem controlados, sua conexão com uma rede doméstica wifi, e possíveis aplicações em soluções do cotidiano residencial.
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8.1 DESENVOLVIMENTODAPESQUISA 8.1.1 A Automação Residencial
A automação residencial também conhecida como domótica é um assunto cada vez mais presente no cotidiano das pessoas, quebrando paradigmas sobre o uso da tecnologia. Onde antes era algo específico de uma classe economicamente alta, hoje está se tornando cada vez mais popular.
Quando a tecnologia começou a evoluir rapidamente no final da década de 70, ideias de melhorias sociais voltadas a pessoas portadoras de necessidades físicas se desenvolveram em conjunto com essa evolução. Tornando a vida dessas pessoas mais fácil.
Já na década de 90 poucas pessoas tinham acesso em relação a tecnologia que se popularizava, trazendo uma melhor aceitação a domótica nos lares americanos. Porém, foi apenas no início do século XX que a automação residencial chegou aos lares brasileiros de alto padrão, enfrentando grandes barreiras nessa implantação, por motivos de falta de mão de obra qualificada, alto custo e manutenção.
Hoje em dia detecta-se o uso da domótica cada vez mais comum e acessível. Automações simples como portões elétricos e/ou eletrônicos, acendimento automático de lâmpadas com sensores de presença e até mesmo a utilização de smartphones para diferentes atividades possibilitam maior comodidade e segurança.
Uma definição mais atual da domótica é a utilização conjunta da eletricidade, com eletrônica e com as tecnologias da informação no ambiente residencial, permitindo realizar sua gestão, local ou remota, e oferecer uma vasta gama de aplicações das áreas da segurança, conforto, comunicação e gestão de energia (Mariotoni; Andrade, 2007).
Prudente (2013), definiu a automação residencial como uma tecnologia que estuda a automação de uma residência ou prédio.
A automação residencial deu seus primeiros passos no fim dos anos 1970, tem como objetivo facilitar o acionamento de dispositivos residenciais. Todas as informações dos equipamentos automatizados são coletados por sensores e
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analisadas por um programa, e as informações lidas pelos sensores podem acionar atuadores modificando as condições do ambiente (BOLZANI, 2004; BOLZANI, 2010). “A área de automação permite a operação automática de muitos equipamentos e sistemas modernos, os quais incorporam recursos de tecnologia da informação, possibilitando gerenciar os recursos energéticos” (SUETA, 2013).
Dentre os vários benefícios da automação residencial, pode se destacar o conforto, pois as novas tecnologias permitem o controle de alguns parâmetros que pode mudar a qualidade de vida dos usuários. A segurança também é um benefício adquirido, tornando possível o aviso de uma tentativa de furto ou princípio de incêndio por exemplo. Com a gestão dos componentes controlados pelo sistema é possível também uma maior economia de energia elétrica, através de programação para ligar e desligar automaticamente determinado equipamento.
Existe também a questão da valorização do imóvel, uma residência com domótica vale sempre mais do que a mesma residência que utilize tecnologias tradicionais Alves e Mota (2003).
8.1.2 O Mercado da Automação Residencial
“O mercado domótica está em forte expansão e consolidado há vários anos, desenvolvendo inovações que estão sendo bem aceita pelos clientes” (PRUDENTE, 2013).
A expectativa de Muratori (2014) é um crescimento anual em média de 30% no segmento, pois a demanda tem sido impulsionada pela acessibilidade de novas tecnologias e pela possibilidade de integração com smartphones e tablets, mas isso confronta diretamente com o problema enfrentado para a maior disseminação da domótica, que se resume em falta de capacitação profissional na área.
O mercado está em uma fase em que dispositivos plug-and-play são altamente requisitados, pois oferecem uma maior facilidade na integração com outros dispositivos independente da marca. Os sistemas Wiriless também são bem requisitados, pois tornam a integração de equipamentos sem a necessidade de
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adicionar cabeamentos, garantindo uma maior mobilidade ao usuário (BOLZANI, 2004).
Através de uma pesquisa para levantar custos de implantação de um sistema de automação residencial foram contactadas três empresas da região, que por sua vez pediram para não apresentar seus dados. Na primeira empresa, são ofertados sistemas de iluminação de até 1kW, onde, cada sistema tem a possibilidade de automatizar dois pontos diferentes ou um portão eletrônico por exemplo, com o valor de R$ 700, mais o custo de aquisição da central de R$5000, e toda a instalação é feita sem fio entre os dispositivos. Na segunda empresa, cada ponto de iluminação automatizado custa em torno de R$ 260 mais R$ 300 do portão mais custo de aquisição da central de R$ 1200, sendo necessário para instalação a passagem de alguns fios. Na última empresa consultada, seu sistema apresenta um limite de equipamentos a ser controlado, um portão eletrônico e onze relés para demais circuitos, a central custa em torno de R$ 900 mais a hora dos técnicos que pode variar com a complexidade de instalação do projeto.
Com os resultados, pode-se observar que o projeto de domótica utilizando o Arduino é viável quando comparado os custos já comercializados no mercado, com isso, é possível verificar que a utilização da plataforma Arduino na domótica é fator de extrema importância na redução de custo do projeto.
8.1.3 Placa de Rápida Prototipagem: Arduino
“O Arduino consiste, por definição, em um microcontrolador de placa única e um conjunto de software para programá-lo. O hardware é composto de um processador Atmel AVR um cristal oscilador e um regulador linear de 5 volts” (MCRoberts, 2011).
O Arduino trata-se de uma plataforma aberta de prototipagem baseada em hardware e software flexíveis e de fácil utilização. O mesmo pode ser utilizado para desenvolver objetos interativos independentes, ou pode ser conectado a um computador, a uma rede, ou até mesmo à Internet para recuperar e enviar dados do Arduino e atuar sobre eles. Em outras palavras, ele pode enviar um conjunto de dados recebidos de alguns
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sensores para um site, dados estes que poderão, assim, ser exibidos na forma de um gráfico (McRoberts 2011).
Nessa plataforma pode ser conectados botões, interruptores, motores, sensores de temperatura, sensores de pressão, sensores de distância, módulos
Ethernet e qualquer dispositivo que receba dados ou possua a função de ser
controlado. Por se tratar de um sistema multiplataforma professores e alunos utilizam o Arduino para construir instrumentos científicos de baixo custo, para provar os princípios de química e física, ou para começar a trabalhar com programação e robótica, por se tratar de uma plataforma barata, compatível com vários sistemas operacionais, de fácil programação e possibilitar a extensão de seu Hardware (Arduino 2016).
Dentre os vários modelos de Arduino destacam-se o Uno e o Mega.
O Arduino Uno é composto por um microcontrolador ATmega328P, 14 pinos de entrada e saída digital(sendo que 6 fornecem saída PWM) e 6 entradas analógicas.
Figura 1 - Arduino Uno Fonte: Arduino (2016)
Já a versão Arduino Mega possui um microcontrolador ATmega2560, contando com 54 pinos de entrada e saída(sendo que 15 desses fornecem saída PWM) e 16 pinos de entrada analógica, além da memória interna de 256 KB muito superior ao tamanho da memória do Arduino Uno que é de 32 KB, o que possibilita ao Arduino Mega rodar maiores programas.
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Figura 2 - Arduino Mega Fonte: Arduino (2016)
8.1.4 Shields Para Arduino
Alem das entradas e saídas do Arduino, é possível encontrar no mercado placas auxiliares chamadas de Shields, que possibilitam ao Arduino novas interações, como por exemplo, display LCD, botões, acesso a internet e etc.
O Arduino Ethernet Shield permite que uma placa Arduino se conecte à uma rede ou Internet. Segundo Evans et al. (2013), este Shield oficial Arduino Ethernet, é baseado no WIZnet W5100 com sua pilha TCP/IP completa. Possui um conector RJ45 integrado para uma conexão Ethernet e um leitor de cartão micro SD integrado. O Arduino Ethernet não possui um chip controlador USB para serial integrado, mas possui um conector de seis pinos que pode ser conectado a um cabo FTDI ou uma porta serial USB para fornecer uma de comunicação para que a placa possa ser programada. É ideal para ser utilizado em monitoramento remoto de estações de registros de dados com leitor de cartão micro SD integrados e uma conexão com uma rede Ethernet com fio para alimentação.
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Figura 3 - Ethernet Sheld Fonte: Arduino (2016)
Módulo de relés de 5 V para automação com optoacoplador (Figura 4): possui interface padrão que pode ser controlado diretamente por microcontrolador, onde o relé suporta correntes de 10 A, com indicação de LED de saída do relé.
Figura 4 – Modulo de relés Fonte: Techmount (2016).
O Shield Dimmer tem a funcionalidade de controlar motores e iluminação de forma proporcional, onde se pode, por exemplo, controlar a velocidade do motor ou a intensidade de brilho da iluminação, desde que possuam 5V de sinal e saída alternada de 110 V/220 V.
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Figura 5 – Módulo Dimmer AC Fonte: Seriallink (2016).
8.1.5 Redes E Seu Funcionamento
De acordo com Tanembaum (2003), as redes de computadores podem ser classificadas pelo seu tamanho, topologia, meio físico e protocolo utilizado.
Os protocolos de comunicação são a linguagem que permite que os diversos elementos de um sistema domótico (sensores e atuadores) se comuniquem e se entendam (Roque; Antônio, 2011).
O protocolo TCP/IP foi desenvolvido para que dois ou mais dispositivos se comuniquem afim de enviar e receber informações de outros dispositivos pela rede.
Os principais tipos de redes levando-se em conta a classificação por seu tamanho têm as seguintes denominações:
Redes PAN – Se trata de redes normalmente usadas para comunicação entre dispositivos dentro de uma distância muito pequena, de até 10 metros de alcance. Exemplos desse tipo de redes são Bluetooth, ZigBee e Ultrawideband (TELECO, 2014);
Redes LAN (Local Area Network) – São redes de área local, normalmente
utilizadas em um único edifício ou campus universitário com no máximo alguns quilômetros de extensão. São muito usadas para conectar estações de trabalho de empresas e indústrias com o objetivo de compartilhar recursos e trocar informações, tais como compartilhamento de arquivos e impressoras tanto por meio físico(com fios) como também pela conexão wifi que segue os mesmo princípios da comunicação com fio, porém utiliza como meio físico sinais de rádio (TANEMBAUM, 2003);
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Redes MAN – São redes que tem abrangência de uma cidade inteira. Elas
interligam várias LANs através de nós para que elas possam se comunicar da mesma maneira de como se estivessem na mesma LAN. Exemplos de MANs são as interconexões de várias redes LAN de uma empresa em diferentes pontos, redes de TV a cabo e Internet via rádio (CARMONA, 2007);
Redes WAN – São redes que atingem longa distância, que integram
diversos países e continentes. Uma WAN reúne todas as menores redes. A Internet
é uma rede Wan por exemplo.
O protocolo TCP/IP foi desenvolvido para que dois ou mais dispositivos se comuniquem para enviar e receber informações de outros dispositivos pela rede.
A conexão wifi segue os mesmos princípios da comunicação com fio, porém utiliza como meio físico sinais de rádio.
8.1.6 Programação Do Arduino
Uma definição de linguagem de programação é uma sequência de códigos padronizados utilizados para definir um software de computador, este especifica quais dados um computador irá atuar e como eles serão armazenados ou transmitidos. As linguagens de programação foram evoluindo com o tempo, e deu origem a outras com o passar do tempo, como por exemplo, algol-60, pascal, c, c++, eiffel, cedar/mesa, java, dentre muitas outras (Dershem e Jipping, 1995).
Basicamente uma linguagem de programação é composta pelos códigos propriamente ditos e necessita de um compilador para que o código seja verificado e executado no computador. O compilador nada mais é do que o responsável por converter todo o código digitado por nós humanos e converte-lo para linguagem de máquina, ou seja, (binária) “zeros e uns” basicamente.
A linguagem de programação C é derivada da B (Criada por Martin Richards) no final de 1970, mas o padrão de linguagem de programação C só foi definido em 1983 pela Ansi (SCHILDT, 1997).
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Segundo Schildt (1997), C é classificada como uma linguagem de médio nível porque combina elementos de linguagens de alto nível com funcionalidades da linguagem Assembly, linguagem de mais baixo nível, com comunicação direta com o
hardware. Essa linguagem é denominada como amiga do programador, uma vez que
os códigos podem ser criados por varias pessoas e depois todo o conteúdo pode ser agrupado em um mesmo código, possibilitando assim a criação de bibliotecas de funções que poder ser incorporadas em vários códigos sem a necessidade de se conhecer o código fonte de cada projeto (MIZRAHI,2008).
A linguagem de programação do Arduino é a linguagem C/C++, o que torna sua programação mais acessível. Possibilitando o controle de entradas e saídas digitais/analógicas para aplicação em diversos projetos.
8.1.7 Programação Web
A linguagem de programação HTML (HyperText Markup Language), foi criada por Tim Berners-Lee no início de 1990 com o objetivo de padronizar os documentos que serias distribuídos na rede, e desenvolveu protocolos de comunicação o tráfego de informações em hipertexto fosse viável. Todo o conteúdo programado em HTML é compilado e exibido em qualquer navegador de internet, seja ele de um computador ,
tablet ou smartphone (BERNERS-LEE, 1999).
Estas páginas Web podem estar localizadas em um computador local ou remoto para serem disponibilizadas através de um servidor web, após disponível, a página pode ser requisitada pelo protocolo de transferência de hipertexto HTTP, através de qualquer navegador de internet.
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Figura 6 – Página Web Fonte: Autoria Própria
8.1.8 Servidores Web
Um servidor é uma máquina capaz de rodar vários serviços simultaneamente e está sempre ligada. Um servidor web é responsável pelo gerenciamento, armazenamento e distribuição de páginas de um website (GRUPPEN, 2014).
9 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
A implementação do sistema de domótica para controle de abertura de portas e portão, iluminação e irrigação do jardim foi realizada através do Arduino Mega, pois possui mais saídas digitais e suporta um maior código programado em sua memória, optou-se por estes sistemas para serem automatizados pois estas atividades requerem uma maior movimentação do cadeirante, e em algumas condições, apresenta maior dificuldade de serem realizadas. Juntamente com o Arduino Mega,
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será utilizado o Shield Ethernet, que possibilita ao Arduino Mega a se conectar a uma rede Ethernet, o que viabiliza o controle efetivo do nosso sistema através de qualquer navegador de internet de qualquer dispositivo.
O desenvolvimento do software responsável pelo gerenciamento dos sistemas foi desenvolvido em linguagem C++ na qual o Arduino se baseia. Juntamente com o controle dos sistemas, está também o código desenvolvido em HTML, este que por sua vez, é o intermediário entre o usuário e a efetiva interação com os sistemas automatizados. Ambos os códigos estão unificados e alocados na memória do Arduino, que além do controle sobre os dispositivos, também está trabalhando como
Web Server.
O código é bem simples e objetivo, ele utiliza três bibliotecas:
A Serial Peripheral Interface (SPI.h), é responsável pela comunicação master
slave, onde determina quem manda e quem obedece.
A Ethernet.h se responsabiliza pela comunicação com a internet.
A Servo.h é a biblioteca que comanda os micro servo motores, utilizados na abertura das portas e portões da maquete.
A seguir está disposto o diagrama do funcionamento do sistema.
Figura 7 – Diagrama do Sistema Fonte: Autoria Própria
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9.1 CONTRUÇÃODAMAQUETE
Para a implementação e demonstração do projeto fez-se por necessário o uso de uma residência popular em escala (maquete). Segundo (NACCA, 2006, p. 15) “Maquete é a reprodução fiel de uma obra ou projeto em escala reduzida. A maquete tem o compromisso de reproduzir visualmente um objeto em escala reduzida.”.
Levando em consideração a visualização tridimensional, a possibilidade de demonstrar na pratica o funcionamento dos elementos aplicados na elaboração do projeto e a praticidade de sua construção, aliados ao baixo custo, justificam a escolha deste método para melhor representar a domótica aqui aplicada.
Se tratando da importância da maquete enfatiza Sarmento, (2008 apud MÖSCH, 2009, pg 123),
“A maquete é uma ferramenta educacional e um instrumento de descobertas. Gera informações em tempo semelhante ao real possibilitando a observação e a vivência de formas do espaço físico. A imagem do modelo tridimensional traz em si características essenciais do objeto de projeto e possibilita uma relação direta entre o observador leigo e o projeto auxiliando a percepção e a diferenciação da escala horizontal e vertical (Sarmento, (2008 apud MÖSCH, 2009, pg 123)).
Julgou-se por necessário a elaboração de uma maquete referente a uma residência popular pois a domótica aplicada a mesma tem por objetivo principal a demonstração da acessibilidade, a popularização e a fácil disponibilidade dos itens aplicados a esta tecnologia, agregados ao baixo custo para sua implementação, antes disponível apenas a uma fatia específica da sociedade, que comumente associava a domótica a uma tecnologia luxuosa e de grande valor agregado.
Uma grande gama de materiais estão disponíveis para elaboração de uma maquete como por exemplo acrílico, plástico, papelão ou papel, porém a escolha do
M.D.F. Medium-Density Fiberboard, em português "placa de fibra de madeira de
média densidade", apresentou melhor desempenho durante sua construção, devido a sua versatilidade baixo custo e fácil manuseio. Possuindo 6mm de espessura possui a rigidez necessária para suportar o manuseio a implementação dos diversos componentes que fazem a mesma ser funcional.
Outra justificativa para a escolha do M.D.F. é seu impacto ambiental, onde para sua produção são utilizadas diversas matérias primas provenientes da reciclagem da
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madeira onde o próprio M.D.F. posteriormente pode ser reutilizado após o seu correto descarte.
A residência miniaturizada possui cinco cômodos e uma área de jardim onde em todos eles foram aplicados algum processo de automação residencial onde facilmente podem ser aplicados em uma residência real com poucas alterações no escopo do projeto aqui demonstrado.
Materiais utilizados para elaboração da maquete:
Chapa em M.D.F. com 6mm de diâmetro medindo 2x1,80m de comprimento e largura respectivamente.
Cola de contato branca Hastes de madeira Grampos metálicos Rebites de alumínio Micro servo motor
Diodo emissor de Luz (LED) Resistores de 1Kohm
Bomba de água 12v
Arduino Mega com Ethernet Shield Cabos e link condutores
Bateria 9v
Fonte de alimentação 12v Roteador wireless
Cabo de par trançado CAT 5E Mangueira plástica
A complexidade de representar os objetos em escala (portas, janelas, paredes) a miniaturização dos componentes aplicados fazem com que a maquete em algumas ocasiões não seja o melhor método para exemplificar na prática um projeto, porém na área da domótica para uma melhor visualização dos itens implementados é de suma importância para representar os resultados esperados em uma residência em escala real.
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A figura a seguir demonstra a frente da maquete.
Figura 8 – Vista Frontal da Maquete Fonte: Autoria Própria
A figura a seguir demonstra a disposição dos equipamentos na maquete.
Figura 9 – Vista Superior da Maquete Fonte: Autoria Própria
9.2 OPERAÇÃODOSISTEMA
Para a utilização do sistema, basta efetuar o Login na rede wifi Arduino, com senha: tccarduino. Após, estando com seu dispositivo (tablet, smartphone ou computador), deve-se abrir o navegador de internet e digitar o endereço IP do Arduino, irá ser exibida em seguida, a página que controlará todos os sistemas automatizados da residência, para acender uma luz por exemplo, basta observar na página o nome do cômodo que se deseja acender e clicar no botão acender, e para desligar,
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simplesmente clicar no botão desligar. O mesmo procedimento de acionamento vale para portas e portão.
10 MELHORIAS
Para a implementação em uma residência, tendo em vista que a utilização do protótipo permite uma ampla noção de como será feito este projeto, há adequações que serão feitas quando utilizado em uma residência real. Primeiro os materiais serão alterados, no lugar dos leds serão lâmpadas e para tais um módulo relé de 8 canais será utilizados, para a irrigação do jardim uma válvula solenóide fará a abertura e fechamento da água. Poderá ser implantado um sensor de umidade no solo, para analisar a necessidade de irrigação. Já nas portas, servos com um torque maior farão os movimentos e uma trava elétrica será a tranca e por fim o portão será basculante. No código será implantado Login e Logoff na página web e um melhor monitoramento da casa, com implementação de sensores de temperatura e de fim de curso nas portas dando a detecção de acendimento das lâmpadas para saber qual é o estado delas, caso haja queda de energia, nobreaks serão instalados para que pequenas quedas de energia não desliguem o sistema, e se o Arduino resetar seu estado anterior será salvo na memória flash, tornando possível recuperar o funcionamento de onde tudo parou.
O controle deixará de ser somente local, será possível controlar a os equipamentos da residência também através da internet.
Dimmers serão implantados nos quartos e nos ambientes desejados e aparelhos sem fios poderão ser empregados para eliminar a fiação, facilitando a instalação e possivelmente reduzindo o custo de instalação. A página web vai controlar a iluminação, porém interruptores em paralelo poderão ser utilizados também, o mesmo com as portas, elas possuirão chaves e sua abertura e fechamento poderão ser efetuadas de maneira manual.
Para uma melhor aparecia do produto, poderá ser criada uma placa contendo o circuito do arduino e demais componentes que possam a ser utilizados na central.
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11 CONCLUSÃO
Com a utilização de uma simples página web para controle dos sistemas, pode-se obpode-servar a facilidade e eficiência do sistema para o acionamento dos dispositivos comandados, não oferecendo dificuldades até para as pessoas mais leigas no quesito de informática.
A utilização do HTML facilitou a programação do sistema de controle, pois além de ser gratuito, ainda pode ser rodado em vários sistemas operacionais por rodar diretamente do navegador web.
A interface Arduino se mostrou muito simples em sua aplicação na automação residencial, e por ser modular, faz com que o sistema possa ser adaptado facilmente para a necessidade do usuário.
Através das informações obtidas das empresas que fornecem o serviço de automação residencial, foi possível comparar preços disponíveis no mercado com o baixo custo do nosso projeto, podendo concluir que, mesmo comparado com outros tipos de automação residencial já se mostra com o valor muito menor, viabilizando assim a sua aplicação.
Por se tratar de um sistema totalmente modular, seria possível adicionar ao sistema a opção de também poder controlar o sistema da residência estando fora da residência, através da internet. Além de poder integrar outros dispositivos ao sistema como Tv’s, câmeras, alarmes, aquecedores, etc.
Desafios foram obtidos no decorrer deste trabalho, juntamente com eles soluções e ideias foram buscadas para que um trabalho bem feito e coerente fosse feito.
Analisando o resultado final, percebeu-se que muitas melhorias e implementações poderão ser feitas. Quando se fala em Arduino uma gama enorme aparece e deve-se analisar todos os casos e possibilidades possíveis a serem empregadas.
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12 CRONOGRAMA
Tabela 1 – Cronograma
ETAPAS 2016
Abril Maio Junho 1 Montagem do protótipo X
2 Utilização do protocolo TCP/IP X
3 Instalação de equipamentos X
4 Desenvolvimento de software X X
5 Configuração da rede Ethernet X X
6 Montagem final com tudo funcionando X
7 Apresentação X
Fonte: Autoria Própria
13 RECURSOS
13.1 RECURSOSHUMANOS
Será necessário para o desenvolvimento do projeto quatro pessoas, sendo ela os desenvolvedores do projeto e o orientador.
13.2 RECURSOSFÍSICOS
Para a confecção da maquete e teste dos equipamentos será utilizado um laboratório da UTFPR, um computador para programação e o kit Arduino.
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13.3 RECURSOSFINANCEIROS
Tabela 2 - Recursos Financeiros
Descrição Unidade Preço Uni. Total 1 Arduino Ethernet Shield 1 R$ 40,00 R$ 40,00 2 Arduino Mega 1 R$ 150,00 R$ 150,00 3 Bomba de água 12V 1 R$ 10,00 R$ 10,00 4 Cabos 3 R$ 4,50 R$ 13,50 5 Chapa em M.D.F. 6mm 1 R$ 60,00 R$ 60,00 6 Cola de contato branca 1 R$ 5,00 R$ 5,00 7 LED 5 R$ 1,50 R$ 7,50
8 Protoboard 1 R$ 12,00 R$ 12,00
9 Resistor 5 R$ 0,20 R$ 1,00 10 Roteador wireless 1 R$ 100,00 R$ 100,00 11 Servo motor 5 R$ 12,00 R$ 60,00 12 Módulo relé de 8 canais 1 R$ 56,00 R$ 56,00 13 Válvula solenoide 1 R$ 57,00 R$ 57,00 14 Servo 20Kg de torque 5 R$ 170,00 R$ 850,00 15 Trava elétrica 2 R$ 90,00 R$ 180,00 16 Motor do portão 1 R$ 300,00 R$ 300,00 17 Shield dimmer 5 R$ 40,00 R$ 200,00 18 Módulo transmissor sem fio rx tx 10 R$ 10,00 R$ 100,00
Total: R$ 2.202,00 Fonte: Autoria Própria
Levando em consideração os custos atuais dos equipamentos, torna-se visível a vantagem econômica da elaboração deste projeto. Pois comparados com outros dispositivos já comercializados, o mesmo apresenta grande vantagem econômica.
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APÊNDICE A – Programação do Sistema
/**************************************************************************** *********************************BIBLIOTECAS********************************* ****************************************************************************/ #include <SPI.h> #include <Ethernet.h> #include <Servo.h> /**************************************************************************** *****************************FIM BIBLIOTECAS********************************* ****************************************************************************/ /**************************************************************************** ***************************** DECLARAÇÃO IN/OUT ***************************** ****************************************************************************/ Servo myservo; Servo myservo1; Servo myservo2; Servo myservo3; Servo myservo4;
byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED }; byte ip[] = { 192, 168, 0, 18 };
EthernetServer server(80);
String readString;
int Pin = 2; //pino do Led da Sala int Pin_1 = 4; //pino do Led da Cozinha int Pin_2 = 6; //pino do Led do quarto int Pin_3 = 7; //pino do Led do Banheiro
int Pin_4 = 8; //pino do Relé de acionamento do sistema de irrigação /****************************************************************************
**************************FIM DECLARAÇÃO IN/OUT ***************************** ****************************************************************************/
/**************************************************************************** ********************************* VOID SETUP ********************************* ****************************************************************************/ void setup(){
myservo.attach(3); //pino do servo que controla o portão
myservo1.attach(5); //pino do servo que controla a porta do quarto myservo2.attach(9); //pino do servo que controla a porta da sala myservo3.attach(10); //pino do servo que controla a porta da cozinha myservo4.attach(11); //pino do servo que controla a porta do banheiro pinMode(Pin, OUTPUT);
pinMode(Pin_1, OUTPUT); pinMode(Pin_2, OUTPUT); pinMode(Pin_3, OUTPUT); pinMode(Pin_4, OUTPUT);
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Ethernet.begin(mac, ip); server.begin();
}
/****************************************************************************
****************************** FIM VOID SETUP*** ***************************** ****************************************************************************/
/****************************************************************************
*************************** VOID LOOP / PAGINA HTML ************************** ****************************************************************************/
void loop(){
EthernetClient client = server.available(); if (client) { while (client.connected()) { if (client.available()) { char c = client.read(); if (readString.length() < 100) { readString += c; } if (c == '\n') { client.println("HTTP/1.1 200 OK"); client.println("Content-Type: text/html"); client.println(); client.println("<HTML>"); client.println("<BODY>");
client.println("<center><h1>Universidade Tecnológica Federal do Paraná TCC - Automação Residencial</h1><br></center>"); client.println("<hr />"); client.println("<H1>ILUMINACAO</H1>"); client.println("<hr />"); client.println("<center><H1>SALA</H1>"); client.println("<H1><button><a href=\"/?ledon\"\">ON</a></button>");
client.println("<button><a href=\"/?ledoff\"\">OFF</a><br /></button><H1>"); client.println("<hr />");
client.println("<H1>COZINHA</H1>");
client.println("<H1><button><a href=\"/?led1on\"\">ON</a></button>");
client.println("<button><a href=\"/?led1off\"\">OFF</a><br /></button><H1>"); client.println("<hr />");
client.println("<H1>QUARTO</H1>");
client.println("<H1><button><a href=\"/?led2on\"\">ON</a></button>");
client.println("<button><a href=\"/?led2off\"\">OFF</a><br /></button><H1>"); client.println("<hr />");
40 client.println("<H1>BANHEIRO</H1>"); client.println("<H1><button><a href=\"/?led3on\"\">ON</a></button>"); client.println("<button><a href=\"/?led3off\"\">OFF</a><br /></button><H1></center>"); client.println("<hr />"); client.println("<H1>GARAGEM</H1>"); client.println("<hr />"); client.println("<center><H1>PORTAO</H1>"); client.println("<H1><button><a href=\"/?portaoon\"\">OPEN</a></button>"); client.println("<button><a href=\"/?portaooff\"\">CLOSE</a><br /></button><H1></center>"); client.println("<hr />"); client.println("<H1>PORTAS</H1>"); client.println("<hr />"); client.println("<center><H1>QUARTO</H1>"); client.println("<H1><button><a href=\"/?portaon\"\">OPEN</a></button>"); client.println("<button><a href=\"/?portaoff\"\">CLOSE</a><br /></button><H1>"); client.println("<hr />"); client.println("<H1>SALA</H1>"); client.println("<H1><button><a href=\"/?porta1on\"\">OPEN</a></button>"); client.println("<button><a href=\"/?porta1off\"\">CLOSE</a><br /></button><H1>"); client.println("<hr />"); client.println("<H1>COZINHA</H1>"); client.println("<H1><button><a href=\"/?porta2on\"\">OPEN</a></button>"); client.println("<button><a href=\"/?porta2off\"\">CLOSE</a><br /></button><H1>"); client.println("<hr />"); client.println("<H1>BANHEIRO</H1>"); client.println("<H1><button><a href=\"/?porta3on\"\">OPEN</a></button>"); client.println("<button><a href=\"/?porta3off\"\">CLOSE</a><br /></button><H1></center>"); client.println("<hr />"); client.println("<H1>JARDIM</H1>"); client.println("<hr />"); client.println("<center><H1>IRRIGACAO</H1>"); client.println("<H1><button><a href=\"/?releOn\"\">ON</a></button>"); client.println("<button><a href=\"/?releOff\"\">OFF</a><br /></button><H1></center>");
41 client.println("<hr />"); client.println("</BODY>"); client.println("</HTML>"); delay(1); client.stop(); if(readString.indexOf("?ledon") > 0) { digitalWrite(Pin, HIGH); } else { if(readString.indexOf("?ledoff") > 0) { digitalWrite(Pin, LOW); } } client.stop(); if(readString.indexOf("?led1on") > 0) { digitalWrite(Pin_1, HIGH); } else { if(readString.indexOf("?led1off") > 0) { digitalWrite(Pin_1, LOW); } } client.stop(); if(readString.indexOf("?led2on") > 0) { digitalWrite(Pin_2, HIGH); } else { if(readString.indexOf("?led2off") > 0) { digitalWrite(Pin_2, LOW); } } client.stop(); if(readString.indexOf("?led3on") > 0) { digitalWrite(Pin_3, HIGH);
42 } else { if(readString.indexOf("?led3off") > 0) { digitalWrite(Pin_3, LOW); } } client.stop(); if(readString.indexOf("?portaoon") > 0) { digitalWrite(3, HIGH); myservo.write(0); delay(15); } else { if(readString.indexOf("?portaooff") > 0) { digitalWrite(3, LOW); myservo.write(90); delay(15); } } client.stop(); if(readString.indexOf("?portaon") > 0) { digitalWrite(5, HIGH); myservo1.write(0); delay(15); } else { if(readString.indexOf("?portaoff") > 0) { digitalWrite(5, LOW); myservo1.write(90); delay(15); } } client.stop(); if(readString.indexOf("?porta1on") > 0) { digitalWrite(9, HIGH); myservo2.write(0); delay(15); }
43 else { if(readString.indexOf("?porta1off") > 0) { digitalWrite(9, LOW); myservo2.write(90); delay(15); } } client.stop(); if(readString.indexOf("?porta2on") > 0) { digitalWrite(10, HIGH); myservo3.write(0); delay(15); } else { if(readString.indexOf("?porta2off") > 0) { digitalWrite(10, LOW); myservo3.write(90); delay(15); } } client.stop(); if(readString.indexOf("?porta3on") > 0) { digitalWrite(11, HIGH); myservo4.write(0); delay(15); } else { if(readString.indexOf("?porta3off") > 0) { digitalWrite(11, LOW); myservo4.write(90); delay(15); } } client.stop(); if(readString.indexOf("?releOn") > 0) { digitalWrite(Pin_4, HIGH); } else { if(readString.indexOf("?releOff") > 0) { digitalWrite(Pin_4, LOW);
44 } } readString=""; } } } } } /****************************************************************************
*************************FIM VOID LOOP / PAGINA HTML ************************* ****************************************************************************/
