DEP ARTA MENTO AC AD Ê MICO D E EL ETROTÉCNI CA – D AELT DEP ARTA MENTO AC AD Ê MICO D E EL ETRÔNIC A – DA ELN CURSO SU PER IOR D E TEC NOLOGIA EM G EST ÃO CO ME RCI AL
ELÉTRIC A
CURSO SU PER IOR D E TEC NOLOGIA EM ELETRÔ NICA
ALE XAN DRE RUP PEL FÁBIO UN RUH
RICAR DO H ENRIQU E U NRUH
PROTÓTIPO DE UM SISTEM A DE ILUMINAÇÃO
RESIDENCIAL COM CONTROLE REMOTO SEM FIO – WI-FI
TRAB ALHO D E CON CLUS ÃO D E CU R SO
CURITIB A 2013
ALE XAN DRE RUP PEL FÁBIO UN RUH
RICAR DO H ENRIQU E U NRUH
PROTÓTIPO DE UM SISTEM A DE ILUMINAÇÃO
RESIDENCIAL COM CONTROLE REMOTO SEM FIO – WI-FI
Trabal ho de Concl usão de Curso de Graduação, apresentado ao Curso Superi or de Tecnol ogi a em Gestão Co merci al El étri ca, do Departa mento Acadê mi co de El etrotécni ca – DAELT e Curso Superi or de Tecnol ogi a em El etrôni ca do Departamento Acadê mi co de El etrôni ca - DAEL N – da Uni versi dade Tecnológi ca Federal do Paraná – UTFPR, co mo requi si to parci al para obtenção do títul o de Tecnól ogo.
Ori entadora: Profª. MSc. Rosângel a W inter
Co-ori entador: Prof. Dr. Rubens Al exandre de Fari a.
CURITIB A 2013
TERMO DE APROVAÇÃO
ALE XAN DRE RUP PEL ( DA ELT) FÁBIO UN RUH (D AEL N)
RICAR DO H ENRIQU E U NRUH (D A ELT)
PROTÓTIPO DE UM SISTEM A DE ILUMINAÇÃO
RESIDENCIAL COM CONTROLE REMOTO SEM FIO – WI-FI
Este trabal ho de concl usão de curso foi apresentado no di a 15 de Mai o de 2013, co mo requi si to parci al para obtenção do títul o de Tecnól ogo e m El etrôni ca (DAELN) e Tecnól ogo e m Gestão Co merci al El étri ca (DAELT) outorgado pel a Uni versi dade Tecnol ógi ca Federal do Paraná. Os al unos foram arguídos pel a Ban ca E xa mi nadora co mpo sta pel os professores abai xo assi nados. Após d el iberação, a Banca E xa mi nadora consi derou o trabal ho aprovado.
______________________________ Prof. César Janeczko, M. Sc.
Coordenador de Curso
Departa mento A cadê mi co de El etrôni ca (ou mecâni ca, a ser veri fi cado no caso da Mecatrôni ca)
______________________________ Prof. Sergi o Mori be
Responsável pel a Ati vi dade de Trabalho de Concl usão de Curso Departa mento A cadê mi co de El etrôni ca
B ANC A EX AMIN ADO R A
______________________________ Prof. Cesar Eduardo F. Castañeda
______________________________ Prof. Lui z Gustavo Trevi san
______________________________ Prof. M. Sc. Ubi ra jara Zoccol i
____________________________
Prof. Dr. Rubens Alexandre de Faria (DAELN) Orientador
_________________________
Profª. M. Sc. Rosângel a W i nter (DAELT) Ori entador
Dedi camo s este trabal ho a todas a s pessoas que no s i ncenti varam e a u m a mi go que não es tá mai s entre nós.
AG R AD EC IME NT OS
Pri mei ra mente agradece mos a Deus por nos ter dado a vi da, a saúde e sabedori a para se mpre segu i rmos e m frente. A ssi m ta mbé m agradece mos as nossas fa míl i as que nos apoi aram, i ncenti varam e acredi taram e m nossos potenci ai s. E agradece mos a essa In sti tui ção e todos os professores pel o conhecimento adqui ri do ao l ongo deste curso.
RES UMO
RUP PEL, Al exandre; U NRUH , Fábi o; UNRU H, Ri cardo Henri que. Protótipo de um siste ma de il umi nação residencial com control e remoto sem fio – wi-fi. 2013. 91f. T rabal ho de Concl usão de Curso. Departa mento Acadê mi co de El etrotécni ca – DAELT e Curso de graduação, do Curso Superi or de Tecnol ogi a em El etrôni ca do Departa mento Acadê mi co de El etrôni ca – DAELN da Uni versi dade Tecnol ógi ca Federal do Paraná – UTFPR. Curi ti ba, 2013.
Este TCC te m co mo ob jeti vo moder ni zar a forma de aci onamento e control e das l âmpadas uti l i zadas nas casas co m energi a el étri ca através de u m con junto de di spo si ti vos el etrôni cos provi dos de mi crocontrol adores capazes de vari ar a i ntensi dade da l umi nosi dade (função dimmer), programar aci ona mentos, reali zar comandos atravé s de control es re motos (se m fi o), sal var confi gurações de i ntensi dades e grupos de l âmpadas a sere m l i gadas a fi m de tornar mai s ágil a mani pul ação da il umi nação de ambi entes grandes e até mes mo de val ori zar o i móvel . Os di sposi ti vos el etrôni cos que foram uti li zados são consti tuídos por el ementos de desenv ol vi mento própri o, bem co mo por el ementos já di sponívei s no mercado al iando a capaci dade de cri ação co m a de i ntegração vi sando um produto confi ável e vi ável co merci al mente.
Palavras-c haves: Automação reside ncial. Rede local sem fio (wi-fi). Módulo de acioname nto re moto. Il uminação. Di mmer.
ABST RACT
RUP PEL, Al exandre; U NRUH , Fábi o; UNRU H, Ri cardo Henri que. Prototype s ystem for home lig hting with remote cont rol wireless – wi-fi. 2013. 91f. Trabal ho de Concl usão de Curso. Departament o Acadê mi co de El etrotécni ca – DA ELT e Curso de graduação, do Curso Superi or de Tecnol ogi a e m El etrôni ca do Departa mento Acadê mi co d e El etrôni ca – DAELN da Uni versi dade Tecnol ógi ca Federal do Paraná – UTFPR. Curi ti ba, 2013.
Thi s TCC ai ms to moderni ze the way of dri ve and control of the l amp s used i n ho mes wi th el ectri ci ty through a range of el ectroni c devi ces equi pped wi th mi crocontrol l ers capable of varyi ng the i ntensi ty of the bri ghtness (di mmer functi on), progra m dri ves, perform co mmand s through control s remote ( wi rel ess), save setti ngs and i ntensi ti es groups of l amp s to be connected i n order to beco me more agi l e handl i ng the l i ghti ng of l arge envi ronments and even val ui ng the property. The el ectroni c devi ces that were used consi st of el ements of devel op men t i tsel f, together wi th detai l s al ready avai l abl e i n the market co mbi ni ng the abi li ty to create wi th the i nte grati on ai mi ng a rel i abl e and co mmerci all y vi abl e.
Keywo rds: Home automatio n. W irel ess LAN (wi-fi). Module re mote wakeup. Lighting. Di mmer.
LIST AS D E FIG UR AS
FIGURA 01 – FL UX OGRA MA E TA P A S DO P ROJE TO ... 19
FIGURA 02 - CO MA NDO DIMME R ... 24
FIGURA 03 - CONTROL E DIMMER LÂ MP AD A ... 24
FIGURA 04 - TRIA C ... 24
FIGURA 05 - DI AGRA MA DO D IMMER ... 25
FIGURA 06 - V ARI AÇÃO DA T ENS ÃO NO TRIAC Q¹ ... 26
FIGURA 07 - ÂNG ULO D E COND UÇ Ã O NO TRIAC Q¹ ... 26
FIGURA 08 - CONTROL E D E B RILHO DIMMER LIGA DO A UMA LÂMPA DA IN CA NDE SC ENTE CO MUM ... 27
FIGURA 09 - DI AGRA MA D E BLOC OS DO MI CROCONTROL ADO R . 28 FIGURA 10 - MICROCONTROLADOR ATMEGA8/8L ... 31
FIGURA 11 - CONFIGU RAÇ ÃO DO S P INOS AT ME GA8/8L ... 33
FIGURA 12 - DI AGRA MA D E BLOC OS ATMEGA8/8L ... 36
FIGURA 13 – FONTE S E XTER NA S DE CLOCK DO A VR AT MEG A8/8L a) CRISTAL b) R ED E RC c) SIN AL E X TERNO ... 36
FIGURA 14 - DI STRIBUI ÇÃO DO CLO CK ... 36
FIGURA 15 - PI CONET ... 43
FIGURA 16 – I MAG E M MEDI DA S/P ES O ... 59
FIGURA 17 – I MAG E M E STRUTUR A I NTERN A/S ALA D E E STAR .... 60
FIGURA 18 – CI RCUITO P AR A OP ER AÇÃO DO MIC RONTROLA DOR ... 62
FIGURA 19 – FLUXOG RA MA FIRMW ARE - TAR EFAS ... 63
FIGURA 20 – CI RCUITO D A FONTE D E ALI ME NTAÇ ÃO ... 63
FIGURA 21 – CI RCUITO DO MÓD ULO RN X V ... 64
FIGURA 22 – I MAG E M MÓDULO R N X V ... 65
FIGURA 23 – CI RCUITO D E A CIONA MENTO DA CAR GA ... 65
FIGURA 24 – CI RCUITO D E D ETECÇ Ã O PA SS AGE M POR ZER O ... 66
FIGURA 25 – TOPOLOGI A D A CO MUN ICAÇ ÃO ... 67
FIGURA 26 – CI RCUITO P ROTÓTIPO ... 68
FIGURA 27 – I MAG E M CIR CUITOS E M P ROTOBO ARD ... 69
FIGURA 28 – CI RCUITO D E PL AC A IMPRE SS A ... 72
FIGURA 29 – PL AC A S UB ME RS A NO ÁCIDO SEN DO COR ROÍD A .. 73
FIGURA 30 – I MAG E M PL AC A IMPR E SS A ... 73
FIGURA 31 – I MAG E M DO S CO MPO N ENTE S DO CI RCUITO ... 74
FIGURA 32 – PL AC A CO M CO MPONE NTES MONTA DOS ... 74
FIGURA 33 – I MAG E M P ROTÓTIPO E M OP ER AÇÃ O ... 75
FIGURA 34 – MÓDULO S IN STALA DOS - MAQ UETE ... 76
FIGURA 35 – J ANEL A V B 100 % ... 77
FIGURA 36 – LÂ MPA DA S Nº1 E N º2 – 100% ... 77
FIGURA 37 – J ANEL A V B – 1 % E 51 % ... 77
FIGURA 38 – V ARI AÇ ÃO 51% E 1% ... 77
FIGURA 39 – J ANEL A V B – 5 % E 4 % ... 78
LIST AS D E QU AD ROS
QUADRO 01 - ESTU DO DE MERC ADO AUTOMAÇ ÃO
R ES IDE NCIAL ... 22 QUADRO 02 - W EP/W PA... 52
LIST AS D E T ABEL AS
TABEL A 01 - POTÊNCIAS E ÁREA DE COBERTURA ... 43 TABEL A 02 - P ADRÕ ES ... 46 TABEL A 03 - TAB ELA DE CUSTO D E COMPONE NTES ... 91
LIST A DE ABRE V IAT UR AS, S IGL AS E ACRÔ N IMOS
AE S - Advanced Encrypti on Standart
ANAT EL - Agenci a Naci onal de Tel ecomuni cações
AUR ESID E - Associ ação Brasi l ei ra de Auto mação Resi denci al
CAN - Campus Area Network
CLP - Control ador Lógi co Programável CPU - Uni dade Central de Processamento DSS S - Direct Se quence Spread Spectrum EA P - E xtens ible Authent icat ion Protocol
EPRO M - Erasable and Programmable Read-Onl y Memory FH-CDMA - Frequency Hopp ing - Code-D iv is ion M ult iple
Access
FHSS - Frequency Hopp ing Spread Spectrum HUB - Do Ingl ês “Transmi ti r”
IBM - International Bus ines s Mach ines
IEE E - Inst itute of Ele ctr ical and Eletron ics E ngineers ISM - Industria l, Sc ient if ic, Med ical
LCD - Liqu id crystal d isplay
LEA P - Light we ight E xtens ible Authent icat ion Protocol MA C - Media Access Contro l
MB PS - Megabit por segundo
MIP S - Mi l hões de Instruções por Segundo PDA ’S - Personal d ig ital ass istant
RA M - Random Access Memory
RF - Rádi o freqüênci a
ROM - Read Only Memory
RTC - Real T ime Clock
SRA M - Stat ic Random Access Memory SSID - Serv ice Set IDent if ier
TECP AR - Insti tuto de Tecnol ogi a do Paraná TKIP - Temporal Key Integrit y Protocol ULA - Uni dade Lógi ca e Ari tméti ca USA RT
- Un iversal S ynchronous Asyn chronous Rece iver Transmitter
USB - Uni versal Seri al Bus VB - V isual Bas ic
W EP - W ireless E qu ivalence Pr ivacy W LAN - W ireless Local Area Network W PA - W ireless Protected Acce ss
W MAN - W ireless Metropol itan Area Network W PAN - W ireless Personal Area Net work W W AN - W ireless W ide Area Net work
SUMÁRIO
1. INT RODUÇ ÃO ... 12
1.1. TEMA ... 13
1.1.2 Del i mi tação do Te ma ... 14
1.1.3 Probl ema s pre mi ssas ... 14
1.2. OBJETI VO GE RAL ... 16
1.3. OBJETI VO E SP ECIFICO S ... 16
1.4. JUSTIFICATI VA ... 16
1.5. PROC EDI ME NTOS METODOLÓ GICOS ... 17
1.6. ESTRUTU RA DO TRA BALHO ... 20
2. FUND AME NT AÇ ÃO T EÓR IC A ... 21
2.1. SIST EMAS DE IL UMI NAÇ ÃO CO ME RCIAI S ... 21
2.2. SIST EMAS AN ALÓGICO S E DIG ITAIS ... 23
2.2.1 D immers ... 23
2.2.2 D immers TRIAC ... 24
2.3. MIC ROCONTROL ADOR ES ... 28
2.3.1 At mega 8/8L ... 31
2.3.2 Característi cas do At mega 8/8L ... 31
2.3.3 Pi nagens do At mega 8/8L – Entr adas e Saídas ... 33
2.3.4 Di agrama de Bl ocos do At mega 8 /8L ... 34
2.3.5 Si ste ma Clo ck ... 35
2.3.6 Co mparador Anal ógi co ... 37
2.3.7 W atchdog ... 37
2.3.8 Reset ... 37
2.3.9 Modo S leep ... 38
2.3.10 Me móri as do At mega 8/8L ... 39
2.4. RED ES DE CO MUNIC AÇÃ O ... 40
2.4.1 Si ste ma W ireless ... 40
2.4.2 Nor mas W LAN ... 41
2.4.3 Bluetooth ... 42
2.4.4 Home RF ... 44
2.4.5 W i-Fi ... 45
2.4.6 Padrões W i-F i ... 45
2.4.7 Segurança na Rede W i-F i ... 47
2.4.8 Protocol os de Rede W i-F i ... 49
2.4.9 Vantagens no uso de Rede W i-Fi ... 52
2.5. COMJUNTOS I NTEGR ADO S AO PROTÓTIPO ... 53
2.5.1 D isplay Touch Screen ... 53
2.5.2 Módul o ON/OFF ... 55
2.6. LINGUAG E M D E PROG RA MAÇÃ O ... 55
2.6.1 Introdução ... 55
2.6.2 Li nguagem de progra mação não estruturada - Projeto ... 56
2.6.3 Li nguagem Bas ic ... 56
3. DE SEN VOLV IMENT O DO PROT ÓT IPO ... 57
3.1. INTRODUÇ ÃO ... 57
3.2. COMPOSI ÇÃO DA MAQUET E/P ROTÓTIPO ... 58
3.3. COMPOSI ÇÃO DO MÓDULO ... 60
3.3.1 Mi crocontrol ador ... 61
3.3.2 Firmware do protóti po ... 62
3.3.3 Fonte de Al i mentação ... 63
3.3.4 Transceptor ... 64
3.3.5 Ci rcui to de aci onamento da carg a ... 65
3.3.6 Ci rcui to de detecção de passagem por zero ... 66
3.3.7 Interface ... 67
3.4. Topol ogi a da comuni cação do pr otóti po ... 67
3.4.1 Ci rcui to do protóti po ... 68
3.5. Testes do Protótipo – Resultados ... 69
3.6. Construção da Placa Impressa ... 72
3.7. Protótipo em Operação – Visual Basic ... 76
4. CONCLU S ÃO ... 79
REFER ÊNC IAS ... 81
APÊ ND IC E A ... 86
APÊ ND IC E B ... 88
1 INT RODUÇ ÃO
Mui to se fal a sobre as "i novações" tecnol ógi cas que i rão equi par l ares num futuro pró xi mo. Esse é u m t e ma mui to i nteressante e só não entusi asma mai s pel a presença da pal avra “futuro”, poi s este é o mo mento de vi ver o presente e aprovei tar agora tudo o que a auto mação resi denci al proporci ona. A Auto ma ção Resi denci al é vi sta co mo u ma novi dade que causa i nteresse pel o al to poder futuri sta, tecnol ógi co e até assi mi l ada ao poder de status, moderni dade e parte da arqui tetura moderna. Nos úl ti mos três anos, o mercado de auto mação resi denci al vem crescendo a u ma médi a de 35% ao ano e m nú mero de pro jetos (IN STITUTO DE TECNOLOG IA DO P ARA NÁ-TECP AR, 2011 p.1). E de acordo co m a Associ ação Brasi l ei ra de Auto mação Re si denci al (AURESID E) e seu consel hei ro José Roberto Muratori , (2011, apud INSTITUTO DE TECNOLOGI A DO PAR AN Á-TECP AR, 2011 p.1): “O públ i co que hoje está co mprando o se u pri mei ro i móvel , é de pessoas jovens i nformados co m as tecnol ogi as e que gostari am de uti l i zar seus smartphones ou tablets ta mbé m n a auto mação resi denci al ”.
“Já está na hora de vi vermos o p resente, poi s, já exi ste m estudos, tecnol ogi a, projetos e resi dênci as efeti vamente funci onando através dos recursos da Auto mação” (TEZA, 2002).
Tentando aprovei tar o potenci al dessa área de atuação, u m nú mero pequeno de empresas, geral mente l i gadas à automaçã o co merci al ou i ndustri al , aprovei ta equipa mentos desti nados i ni ci al ment e a outros propósi tos. Em sua g rande mai ori a são i nstal ados al eatori amente i mpul si onados pel a onda mercadol ógi ca do mo mento e acaba m resol vendo al guns probl emas l ocal i zados, mas se m nenhu ma i ntegração entre si , o que acaba resul tando em i nsati sfação para os usuári os, os quai s acaba m convi ven do co m si ste mas i sol ados e de di fícil operacionali dade. Mes mo l evand o e m conta a séri e de obstácul os que o mercado co mo u m todo i mpõe, seu potenci al é enorme e tende a se materi al i zar rapi damente. Co mo q ual quer mercado e mergente, no i níci o podem até sere m acei tas al gu mas i mprovi sações, poré m só i rão
sobrevi ver os profi ssi onai s seriame nte e mpenhados e m apresenta r sol uções permanentes e de qual i dade aos seus cl i entes.
“Thomas Edi son ja mai s i magi nari a que sua i nvenção se tornari a u ma apl i cação domésti ca tão versáti l” (AURE SIDE , 2010). Queri a al go que ajudasse a en xergar no escuro. Enquanto i sso, l umi nári as e l âmpadas de ho je, quando l i gadas a si stemas espe ci ai s de control e de i l umi nação, pode m prover mui tas outr as funções. Si ste mas i nteli gentes de i l umi nação podem acentuar os det al hes arqui tetôni cos de uma sal a, a i ntensi dade correta da il umi nação pode ser usada para focar a pi ntura de um quadro, para cri ar um cl i ma especi al , seja el e românti co ou festi vo, l i gar e desli gar automati camente a i l u mi nação de u ma cas a pode-se protegê-l a de i ntrusos, fazendo-a parecer ocupada na ausênci a de seus propri etári os.
Redução de consu mo é outra vantag e m, poi s a i ntensi dade de l uz é regul ada conforme a necessi dade co m i sso as l â mpadas nã o preci sam fi car aci onadas e m su a potênci a nomi nal co mo no aci onamento con venci onal . Os proje tos convenci onai s não atendem mai s as expectati vas dos moradores pri nci pal mente no que di z respei to às i novações tecnol ógi cas em suas n ovas resi dênci as. Segundo Di as; Pi zzol ato (2004, p.10) “a moradi a, abri go, o l ar, deve ser prazeroso, efi ci ente, di gni fi cante e, por ser um bem de grande vi da útil , fl exível às transfor mações soci ai s e tecnol ógi cas”. Desta for ma os si ste ma s i nteli gentes de i l umi nação i ntegrados às resi dênci as são um sí mbol o de moderni dade e conforto.
1.1 TEMA
O Te ma deste trabal ho é um produto vol tado à il umi nação que al ia uma nova for ma de control e e automa ção resi denci al . Com a crescente evol ução das resi dênci as intel i gentes surgem necessi dades que carece m de u ma sol ução já di sponível no mercado, dentre esta s está o te ma deste pro jeto, o qual vi sa atender tanto o quesi to i l umi nação quanto a i ntegração total do empreendi mento. “E m geral , os projetos das resi dênci as convenci onai s não sati sfazem por co mpl eto
aos ansei os dos moradores” (DIA S; PIZZOLATO, 2004, p.10). A cad a di a são l ançadas i novações tecnol ógi cas, as quai s podem i ntegrar di versas funções no di a a di a que agregam mel hori as a fi m de proporci onar mai or prati ci dade, conforto e segurança co m qual i dade.
Do móti ca (do l ati m, 'do mo', que si gni fi ca 'casa' - associ ado à pal avra robóti ca), segundo o pesquisador Cai o Bol zani , da Escol a Pol i técni ca da Uni versi dade de São Paul o, refere-se à util i zação de di versas tecnol ogi as e equi pamento s para mel horar a segurança, econo mi a e o conforto das casas (BOLZANI, 2004). Co m a di ssemi nação da Internet é pos sív el que qual quer pessoa possa supervi si onar e control ar sua moradi a de onde quer que esteja.
Teori camente não e xi ste l i mi te para essa i nteli gênci a domi ci li ar. E é justa mente essa enor me capaci dade que será testada ao l ongo dos próxi mos anos.
1.1.2 Del i mi tação do te ma
Para atender aos objeti vos do tema após uma pesqui sa de mercado e de tecnol ogi as di sponívei s para defi ni r as mel hores opções a sere m uti li zadas um protóti po será desenvol vi do composto por u m ponto de control e que será um “i nterruptor” mi crocontrol ado e um pont o de aci onamento da carga, o qual per mi te a “dimmeriza ção ” de u ma l âmpada i ncandescente. O i ntui to fundamental é control ar essa l âmpada através de u ma rede ethernet se m fi o co m as opções de l i gar, desl i gar e vari ar sua i ntensi dade utilizando o protóti po. As vantagens, benefíci os e possi bil i dades são abordados e mbasando as si m a i ntenção de torná-l o um produto co mer ci al mente vi ável .
1.1.3 Probl ema s e pre mi ssas
O propósi to deste projeto de Auto mação Resi denci al foi desenvol ver uma sol ução para aci ona mento de l â mpadas l evando e m conta os seus benefíci os das tecnol ogi as adotadas, tai s como reduzi r o consu mo de energi a el étri ca (assunto tão di scuti do em di as co m
tendênci as sustentávei s cada vez mai s fortes), proporci onar mai or segurança, aumentar consi deravel me nte o conforto, tornar o si mpl es ato de l i gar uma l âmpada mui to fl exí vel (por control e remoto, cel ul ar, co mputador, tanto l ocal mente quanto remota mente), au mentar a vi da úti l dessas l âmpadas, val ori zar o i móvel al ém de dar u m toque de sofi sti cação e moderni dade úni co.
Al guns probl emas rel aci onados aos equi pamentos presentes n o mercado i nfl uenci aram a escol ha na busca por uma mel hor tecnol ogi a nos si ste mas de i l umi nação, são el es:
- Determi nados model os de l âmpadas para serem aci onados necessi ta m de u m transfor mador, poi s sua tensão de ali mentação é de 12V e não podem ser l i gados di retamente à rede el étri ca 127V. Co m i sso tem-se u m equi pa mento “transfo r mador” que fi ca entre o módul o control ável dimmer e a carga;
- Al guns transformadores que se di ze m ser control ávei s, não consegue m segui r a rampa de 0 a 100% da i ntensi dade l umi nosa, causando i nterferênci a no módul o dimmer, trepi dação, desconforto na i ntensi dade l umi nosa e por fi m dani fi cando todo si stema.
Logo: como viabilizar a operação do s módulos dimme r com o transformador, necessário para determi nados modelos de lâmpadas, de forma perfeita sem ruí do e/ou mau f unciona mento ?
Co m a uti li zação de l âmpadas de te nsão de rede 127/220 V , dei xando de usar as co m transfor mado res de 12 V.
Outro probl ema é a co muni cação que geral mente é fei ta atravé s de módul os de rádi o frequênci a de curto al cance que trabal ham e m fai xas pró xi mas de 433 MHz mui to si mpl es, pouco seguros e qu e trabal ham so mente nu ma topol ogi a ponto-a-ponto tornando a sol ução pouco fl exível , poi s só acei ta comando s de u ma úni ca fonte.
A i ntenção deste trabal ho é uti li zar módul os w i-f i para que a co muni cação co m os mai s di versos equi pamentos se ja po ssível , de fáci l i mpl e mentação, segura, suport a u m bo m tráfego de dados e proporci one uma topol ogi a ponto-mul ti ponto. A troca de dados poderá ser fei ta com u m lap-top, cel ul ar, PC co m módul os w i-f i e qual quer di sposi ti vo com tecnol ogi a sem fi o co mpatível . Deste modo os
aci onamentos da i l umi nação fi cam l i vres de i nterferênci as e co m i ntensi dade l umi nosa de 0 a 100%.
1.2. OBJETI VO GE RAL
Pro jetar u m di sposi ti vo que, li gado a rede el étri ca resi denci al , opere através de uma co muni cação s e m fi o possi bili tando ao usuári o reali zar o aci onamento re moto da i l umi nação.
1.3. OBJETI VOS ES PE CIFICOS
Pesqui sa e conheci mentos tecnol ógi cos; Desenvol ver a i déi a e estudos si mi l ares;
Identi fi car ferramentas para a i nterface que será projetada; Veri fi car os custos e a vi abi li dade de co mponentes;
Desenvol ver os ci rcui tos para o control e da il umi nação;
Desenvol ver o software para a progra mação do d immer o u control e on/off;
Progra mar e testar os ci rcui tos projeta dos; Veri fi car os resul tados.
1.4. JUSTIFICATI VA
Este trabal ho de concl usão de curso foi i deal i zado com o i ntui to de moderni zar tecnol ogi camente os si ste mas de i l u mi nação resi denci ai s vi sando trazer para os l ares conforto, prati ci dade e excl usi vi dade acompanhando os crescentes i nvesti mentos e m projeto s arqui tetôni cos que requerem novi dades e i novações e m Do móti ca uti li zando-se tecnol ogi as avançadas proporci onando també m uti l i zação da energi a el étri ca de forma sustent ável . As resi dênci as i ntel i gentes tê m atraí do grande i nteresse do públ i co uma vez que possi bi li ta a atuação de di sposi ti vos el etrôni cos, interação com os usuári os, trará u m ganho e m for ma de sofi sti cação e segurança na resi dênci a.
1.5. PROC EDI ME NTOS METODOLÓGI COS
As ferra mentas uti li zadas para real i zar as pesqui sas i ncl uíram a pesqui sa bi bli ográfi ca, por mei o de sites de busca, con sul ta a l i vros, revi stas on-line, peri ódi cos, entre outros.
Cl assi fi ca-se o estudo proposto como de natureza ci entífi ca apli cada, devi do ao fato de buscar corri gi r probl emas i mpl e mentando u ma sol ução vi ável técni ca e comerci al mente.
A real i zação de testes do projeto foi efetuada e m protóti po a ser montado pel a equipe uti li zando os conheci mentos obti dos no curso de tecnol ogi a em el etrôni ca e a col eta de resul tados fi ca a cargo da parte que engl oba a tecnologi a em gestão c o merci al el étri ca “el etrotécni ca”.
A di vi são de te mas e tarefas envol vi das no pro jeto foi de acord o co m o foco de cada curso envol vi do.
A parte que envol ve a el etrôni ca, comuni cação e programaçã o fi caram a cargo do al uno do departa mento de el etrôni ca (Fábi o Unruh) e pode ser representada por quatro blocos:
Control e: baseado no mi crocontrol ador At mega 8 da At mel , o qual dese mpenhou a parte i nteli gente do processo control ando a carga e gerenci ando a co muni cação;
Co muni cação: baseado e m módul os prontos uti li zando a tecnol ogi a W i-f i, os quai s servi ra m co mo u m gatewa y entre o canal seri al do mi crocontrol ador e a rede l ocal sem fi o dos de mai s equi pamentos;
Aci ona mento: dependendo da carga p ode ser u m d immer ou co mando si mpl es de l i gar/desli gar di sposi ti vos de il umi nação de acordo co m os si nai s do mi crocontrol ador;
Interface: esse bl oco e xi ste apenas nos ter mi nai s, através dos quai s o usuári o opera o si stema. Pode ser co mposto por tel as de LCD (l iqu id crysta l d ispla y) se nsívei s a toque, Palm, cel ul ares e mi cro co mputadores.
A parte que engl oba a El etrotécni ca, gestão e projeto fi cara m a cargo dos al unos do departamento d e el etrotécni ca (Ri cardo Unruh e Al exandre Ruppel ). Essa fati a do con junto pode ser representada por sei s bl ocos:
Gestão: docu mentação, gerenci amento do projeto, co muni cação co m os ori entadores, desenvol vi mento d o projeto referente à parte escri ta, Col eta de dados referentes ao projeto, estudos e concei tos de Do móti ca e e mbasa mento teóri co;
Pesqui sa de equi pamentos si mi l ares;
Estudo do equi pa mento: funci ona ment o da i nterface, entre a rede e a carga;
Testes em protóti po: veri fi cação do módul o Dimmer co m a co muni cação entre as cargas para segui r um padrão de ra mpa de 0 a 100% na i ntensi dade l umi nosa e vi sando à mel hori a do mes mo;
Estudo de vi abi li dade comerci al : pesqui sa de ca mpo, co m o objeti vo de aperfei çoar característi cas construti vas a fi m de agradar o mai or publ i co al vo possível ;
Refi namento dos concei tos por trás do desenvol vi mento. O fl uxogra ma fi gura 1 mostra as et apas deste projeto co m a sequênci a do fl uxo de tarefas desde a formul ação da i dei a, as di vi sões de tarefas confor me o curso dos i ntegrantes. Após as di vi sões foi defi nida que a i dei a vi nha com a adi ção de um protóti po a fi m d e de monstrar e m ca mpo a i ntenção deste trabal ho. Defi ni da as tarefas confor me o curso cabe a toda a equi pe reali zar a col eta de dados e construi r o protóti po.
Após a fi nali zação do protóti po, i ni ci ou-se a fase de testes co m col eta de dados e análi se dos resul tados obti dos.
F i gu ra 1 – F l u xo g rama d as E t ap as d o P ro j et o F ont e: A ut or i a P r ópr i a .
1.6 ESTRUTU RA DO TR AB ALHO
A estrutura deste trabal ho apresenta-se co m os segui ntes capítul os:
O capítul o 1 – Introdução - Se refere à proposta deste trabal ho de concl usão de curso, cujo objeti vo geral é projetar um di sposi ti vo que reali ze o aci onamento e o control e da il umi nação resi denci al vi a control e remoto – se m fi o – W i-F i.
O capítul o 2 - Fundamentação Teóri ca - São destacados al guns si stema s de il umi nações si mi l ares aos util i zados. Al ém di sso, são estudados di sposi ti vos e componentes necessári os para a i ntegração e desenvol vi mento do protóti po.
O capítul o 3 - Desenvol vi mento do Pr otóti po - Ini ci al mente trat a do desenvol vi mento do ci rcui to do projeto montado e m protoboard com a pri mei ra de bateri a testes e seus respecti vos resul tados. Após o s testes i ni ci ai s apresentam-se sati sfatóri os foi desenvol vi do o ci rcui to fi nal em pl aca de ci rcui to i mpresso e c onfecci onados os módul os para o control e e aci onamento da i l umi naçã o resi denci al . Na sequênci a foi construída u ma maquete/protóti po onde se i ntegra na parte superi or i nterna os módul os desenvol vi dos para control e remoto se m fi o – W I-FI, e na sua parte i nterna si mul a-se u ma sal a de estar co m seu s respecti vos pontos de il umi nação. Po r fi m uti l i za-se de li nguagens de programação vi suai s para a operação do protóti po e descri ção dos resul tados dos testes e os códi gos são apresentados do firmware.
2 FUND AME NTAÇ ÃO T EÓRIC A
Os si ste mas i ntel i gentes estão ganhando mai s “ênfase no s projetos resi denci ai s”, especi al ment e nos si ste mas i ntel i gentes de i l umi nação. Estão surgi ndo mui tos projetos na auto mati zação de resi dênci as que necessi tam de u ma grande vari edade de si stemas e equi pamentos, tai s co mo: sensores de presença e control adores de i l umi nação. Mas mui tos destes equi pamentos e xi stentes são li mi tados e oferece m poucas funções de operação ao usuári o (AURESID E, 2010).
Neste capítul o foi destacada a funda mentação teóri ca dos si stema s de il umi nação co merci ai s mai s uti li zados no mercado no control e da il umi nação e dos disposi ti vos necessári os para a construção do projeto de auto maç ão resi denci al no control e da i l umi nação através de rede se m fi o.
2.1 SISTE MAS D E ILU MIN AÇ ÃO CO MERCI AIS
Os si ste mas de i l umi nação mai s co merci al i zados por sua faci li dade de operação e custo-benefíci o são os: rel és fotoel étri cos, as fotocél ul as, os sensores de presença, as mi nuteri as e equi pamento s mai s co mpl exos, cu jo custo vari a pel a compl e xi dade que são co mandados por si ste mas i nformati z ados CLP’s (Control ador Lógi co Progra mável ), mi crocontrol ados, redes Ethernet e redes se m fi o.
Estes equi pa mentos proporci ona m mai s conforto, requi nte, segurança e econo mi a aos usuári os e ta mbé m estabel ece m u ma nov a evol ução em tecnol ogi as em si ste ma s de control e da il umi nação. A auto mação resi denci al já está presente em mui tos empreendi mento s co mo: casas , aparta mentos, hotéi s e e mpresas.
No Quadro 01 apresenta -se u m e s tudo de mercado que se refere a al guns si stemas i ntel igentes de i l umi nação mai s co merci al i zados neste atual mo ment o e que são mai s si mi l ares ao proposto neste TCC. Os fabri cantes ci tados neste quadro estã o atuando no mercado e se di ferenci am no que di zem respei to a al guma s tecnol ogi as. Os produtos rel aci onados são de fabri cação própri a e as
e mpresas trabal ha m co m a i nstal ação confor me a necessi dade do cl i ente final . Al ém de si stemas d e il umi nação i nteli gentes estes fabri cantes oferece m upgrades no co ntrol e vi a touch panel, co mando s de persi anas e co mando d immer flúor que é o co mando para l â mpada s fl uorescentes co m reatores especi ai s, pel os quai s se consegue control ar a i l umi nação por mei o do mó dul o dimmer.
Q u ad ro 01 – E st u d o d e M ercad o - Au t o mação R esi d en ci al F ont e: Cat ál og o s d e F abr i c ant e s ( 2 010) .
2.2 SISTE MAS AN ALÓGICOS e DIGIT AIS
2.2.1 D immers
Os D immers são di sposi ti vos “el étri cos ou el etrôni cos" capazes de vari ar a i ntensi dade de corrente el étri ca médi a e m u ma carga, por vi a do aumento ou di mi nui ção do val or efi caz da tensão dentre um au mento da potênci a médi a de u ma l âmpada. A ssi m se pode control ar a i ntensi dade de l uz, de forma que possa au mentar ou reduzi r a i ntensi dade l umi nosa (SANTOS, 2001, p.16).
“Co m a i novação da el etrôni ca se desenvol veram D immers co m se mi condutores que trabal ham co mo i nterruptores de al ta vel oci dade ati vando e desati vando mai s de 120 vezes por segundo” (SI MÕ ES , 2008, p.97).
As vantagens dos D immers se mi con dutores sobre os anti gos co m reostato é que estes era m l i gados e m séri e co m as l â mpadas i ncandescentes e causavam peri go de i ncêndi os, conforme fi gura 03. “Este equi pamento te m o i nconveni ente da el evada di ssi pação de cal or na resi stênci a, pel o efei to Joul e (RI²), provocada pel a passagem da corrente, exi gi ndo di mensõe s co mpatí vei s co m nú mero de l â mpadas a control ar” (CREDER, 2002, p.125). C o m os se mi condutores surgi ra m u ma nova tecnol ogi a que possi bili ta um au mento da vi da útil das l âmpadas e econo mi a de energi a. O mai s i mpressi onante é que os D immers se mi condutores atuai s consegue m au mentar ou reduzi r a i ntensi dade l umi nosa de “di ferentes naturezas de l â mpadas”, tai s co mo : i ncandescentes, di crói cas de tensão de rede, di crói cas co m transfor madores e fl uorescentes. Este control e de l umi nosi dade pode-se produzi r “cenas” de il umi nação gerando conforto e requi nte e m a mbi entes co mo sal as de ci nema, teatros, museus (i l umi nação de quadros) ou conforto mai or nos ambi entes resi denci ai s e possi bili ta o gerenci amento da il umi nação co m s egurança e economi a (SIMÕE S, 2008, p.98).
F i g u ra 02 - Co man do Di mmer Fig u ra 03 - Co n t ro l e Di mmer L âmp ad a F ont e: Cov i se E qui pam ent os ( 2 011) . F ont e: B r aga ( 20 12) .
2.2.2 D immer TRIAC
Os D immers co m TRIA C são uti l i zados e m bai xa potênci a e tê m atuação no control e de si ste mas de i l umi nação. Es se control e el etrôni co do Dimmer co m TRIAC p ossi bili tou o control e remoto da i ntensi dade l umi nosa em di versos a mbi entes, tai s como: ci ne ma s, teatros, resi dênci as e entre outros.
O TRIAC é u m di sposi ti vo semi condutor, si mi l ar a u m di odo o u transi stor. “Assi m co mo u m transi stor, um TRIAC é construído co m di ferentes camadas de materi al semi condutor” confor me fi gura 04 (HARRI S, 2012).
Fi g u ra 04 - T RI AC
O TRIAC te m co mo el e mento pri nci pal a capaci dade de conduzi r a corrente pri ncipal da carga. “O control e da potênci a é fei to, vari ando-se o ponto de di sparo do TRIAC e m c ada ando-se mi ci cl o da al i mentação d e corrente al ternada” (BRAGA, 2012).
“A desi gnação genéri ca do dimmer, e m que a di ssi pação de cal or é míni ma, poi s a corrente da l âmpad a não passa pel o potenci ômetro, mas pel o ti ri stor (TRIAC) medi ante um control e que l he i mpõe o di odo (DIAC)” (CRE DE R, 2002, p.125).
Para co mpreender o funci ona mento do Dimmer co m TRIA C preci sa-se conhecer cada função de cada componente do ci rcui to confor me o di agra ma na fi gura 05. Hél io Creder (2002, p.125) afi rma:
O Diod o D 1 t em a f i nal i dade d e di spa r ar o T r i ac Q 1 num c er t o ângul o d e d ef asag em , de f orm a que a t en s ã o apl i c ada à c ar g a po s sa v ar i ar de sde m áx im o at é v al or pr óx im o de z er o c onf or m e a f i gur a 05. O s c om pone nt e s do c i r c ui t o ( R1, R2, C1, e C2) v ão pr ov oc a r um r et ar do no t em po do di sp ar o d o T r i ac Q 1, o Diod o D1 só c ond uz q uan do a t en sã o d e ( br eac k ov er ) ul t r ap a s sam 20 v ol t s, e ne s se m om ent o, o s c apac i t or e s C 1 e C2 de sc ar r e gam na “ p or t a” ( gat e) d o T r i ac Q 1, que c o nduz a t e n são par a a c ar ga ne st e ex at o m om ent o. A r egul aç ão d o t em po de di spar o do s c a pac i t or e s C1 e C2 sã o c on seg ui da s pel a v ar i aç ão da r e si st ê nc i a R 1 ( pot enc i ôm et r o) : quan do m enor v al or dest a r e si st ê nc i a se r á c o n seg ui do a t ens ão de c or t e do Di odo D1 ( 20 v ol t s) , pel a de sc ar ga de st e s c apac i t or e s.
F ig u ra 05 – Di ag rama d o Di mmer F ont e: Cr eder ( 20 02, p. 12 6) .
C1 e C2 - Capaci tores
R1 - Resi stor vari ável (potenci ômetro) R2 - Resi stor de val or fi xo
D2 - Ti ri stor (DIAC) Q1 - Ti ri stor (TRIAC)
Segundo Hél i o Creder (2002, p.125) a fi gura 06 representa as vari ações de tensão no TRIAC e a fi gura 07 os ângul os de condução no TRIAC confor me a ci tação abai xo:
Na f i gur a 06 a t en sã o a pl i c ada á c a r ga obt ê m um v al or m enor que a t en sã o pl en a ( 1 20V ) ; p or i s s o, o b r i l ho da l âm pad a sof r er á um a r eduç ão. Not a- se n a f i gur a 07 , que o T r i ac Q 1 é c apaz de c o nduz i r no s doi s c i c l os da al t er nânc i a da t en sã o . De s se m odo, o c ont r ol e do br i l ho s er á m ai s s uav e.
F i g u ra 06 – V ari ação d a T en são n o T ri ac Q1 F ont e: Cr eder ( 200 2, p. 126) .
F i g u ra 07 – Ân g u l o d e co n du ção do T ri ac Q 1 F ont e: Cr eder ( 200 2, p. 126) .
Resu mi ndo a função do TRIAC é d e “control ar o ângul o de condução real i zando o di sparo do me s mo e m di versos pontos do si nal senoi dal da rede el étri ca domi ci li ar” é possível apli car potênci as di ferentes a vári as cargas. Assi m o D immer aju sta a ra mpa de 0 a 100% fazendo o control e do bri l ho ou da l u mi nosi dade para o aci onamento da i l umi nação confor me f i gura 08 (BRAGA, 2012).
F i g u ra 08 - Co n t rol e d e b ri lh o d i mmer l i g ad o a u ma l âmp ad a i n can d escen t e co mu m .
2.3 MICR OCONTROL ADOR ES
E m te mpos passados os pro jeti stas de ci rcui tos el etrôni cos, “pri nci pal mente ci rcui tos di gi tai s de control e, veri fi caram que não era mai s vi ável trabal har co m a si mpl es l ógi ca de portas para construi r si stema s co mpl e xos e fl exívei s”. U m dos grandes probl emas era m a s l i mi tações de espaço e a “nece ssi dade de construi r ci rcui tos i nteli gentes”. Esta di fi cul dade marcou o fi m dos ci rcui tos i ntegrados l ógi cos na área de control e, surgi ndo u m substi tuto mai s efi ci ente e menor: o mi crocontrol ador (SCHUN K; LUPPI, p.19).
Os mi crocontrol adores atual mente se i ntegram co m di verso s equi pamentos. Suas apl i cações estão e m franca e xpansão nos ra mos i ndustri ai s, resi denci ai s, automoti vos e nas tel ecomuni cações. “Os Mi crocontrol adores se destacam pri nci pal mente e m apl i cações (produtos) nos si ste mas e mbarcados (do i ngl ês embedded system)”, que si gni fi ca que o mi crocontrolador é de uso excl usi vo do equi pamento (D ENA RDIN, 2010).
“O Mi crocontrol ador é um CI co m al ta densi dade de i ntegração de mi croprocessador e seus peri féri cos que i ncl ui , dentro do chip, a mai ori a dos co mponentes necessári os para o control ador”. Desde modo ganhou si gni fi cado de: "sol ução com úni co chip" confor me a fi gura 09. Basi ca mente é u m m icroch ip co m u m processador co m R A M, barramento, co muni cação seri al (ZELENOVS KY; MENDO NÇA, 1999) .
Fi g u ra 09 – Di ag rama d e Bl o co s M i cro co n t ro l ado r F ont e: I nt r oduç ão a o s S i st em as E m but i dos,
As característi cas de u m mi crocontrol ador são si mi l ares a u m si stema co mputaci onal . Suas pri nci pais uni dades segundo Gustavo W . Denardi n (2011, p.10) são:
CPU - Uni dade central de processa me nto é construída por u ma uni dade l ógi ca ari tméti ca (ULA), e uni dade de control e e de me móri a especi ai s i denti fi cadas por regi stradores;
RA M - (Random Access Memory) – Me móri a de acesso al eatóri o é util i zada para l ei tura e ma ni pul ação de dados pel a CPU. O s dados são perdi dos na fal ta de energi a, (me móri a vol átil );
ROM - (Read Only Memory) – Me móri a apenas de l ei tura. So mente l i das pel o computador, mas não se pode al terar. Os dados são manti dos na fal ta de energia ( me móri a não vol átil ); EPRO M - (Erasable and Programmable Read-Only Memory) –
ROM que per mi te que os dados s eja m apagados co m l uz ul traviol eta e reprogramados, mas em nú mero l i mi tado. Os dados são manti dos na fal ta de energia si gni fi ca (me móri a não vol átil );
EE PRO M - (Electr ica lly Erasab le and Programmable Read-Only Memory) – Memóri a de l ei tura que pode ser escri ta e apagada el etri camente. Possui a vantagem que mes mo após o desl i gamento da al i mentação do (uC ) seus dados não serão perdi dos. A EEPRO M reté m o s dados por aproxi mada ment e 100 anos após sua fabri cação e pode ser apagada reprogramada e m até 100.000 vezes;
FLASH - Referente à EPR OM, mas c o m mai or vel oci dade nos ci cl os de escri ta, pode ser gravada e regravada el etri cament e por vári as vezes e em al ta vel oci dade;
I/O – São regi stradores de control e, “estado e si nai s I/O” se refere a u m “ti po especi al de me móri a”. A i nfor mação pode ser l i da ou escri ta por di ferentes di sposi ti vos da CPU;
Conversores A/D – A con versão a nal ógi co-di gi tal (A/D) é representação de si nai s anal ógi cos ao mundo di gi tal . Deste modo é possível uti li zar dados do mu ndo real e transformá-l os e m cál cul os. O conversor (A/D) está p resente i nternamente e m processadores, control adores de si nai s di gi tai s e mi crocontrol adores. Sua construção bási ca apresenta portas de entradas e saídas, a entrada recebe si nai s el étri cos de for ma conti nua e possui fai xa de te nsão má xi ma e míni ma. Nos mi crocontrol adores que possuem conversor (A/D) sua fai xa de operação trabal ha na tensão de 5V para +5V e -5V. Já a saída do conversor o si nal é amostra do e m u m dado i nterval o de te mpo fi xo, se mpre deter mi na do pel a frequênci a de a mostrage m, val or que representa o s i nal ori gi nal de mo mento ou quanti zação, que se refere à preci são do conversor;
Conversores D/A – O con versor (D/A ) representa as mes ma s característi cas do conversor (A/ D), a di ferença é so mente que , é col etado o si nal di gi tal e transformad o e m si nal anal ógi co; Tempori zadores - Os mi croprocessadores necessi tam de u ma
base de te mpo de rel ógi o, a fi m de c ontrol ar o tempo de cad a u m dos eventos referentes aos di sposi ti vos i ntegrados.
E por fi m segundo Schunk e Luppi (2001, p.48):
Interrupções – O mi crocontrol ador (uC) é al i mentado, i ni ci a a executar o progra ma do usuári o a p arti r do vetor de reset, entretanto exi stem di sposi ti vos no i nteri or do mi crocontrol ador capazes de i nterro mper essa e xecuçã o e desvi á-l a para outro endereço de programa.
2.3.1 AT mega8/8L
E xi ste m di versos fabri cantes de mi crocontrol adores e suas característi cas e especi fi cações vari am de for ma a atendere m di ferentes apl i cações.
Neste projeto foi escol hi do o Mi crocontrol ador da ATMEL d a l i nha AVR At mega8 (28 pi nos PDIP), por seu al to desempenho, bai xo consu mo de energi a, custo benefíci o excel ente, fáci l uso do hardware, al ta capaci dade de processamento, a presenta u ma me móri a flash d e ta manho razoável . A Fi gura 10 mostr a o mi crocontrol ador Atmega8/8 L e m sua for ma físi ca.
F ig u ra 10 – M i cro co n t ro l ad o r At meg a8 F ont e: A tm el ( 2011 ) .
2.3.2 Característi cas do AT mega8/8L
As pri nci pai s característi cas do mi crocontrol ador At mega8/8 L segundo a fabri cante ATMEL são:
8-bi t do mi crocontrol ador Core AVR de al to dese mpenho e bai xo consu mo de energi a;
Hardware Mul ti pli er; Flash (8 Kbytes); Boot Code (Bytes); ISP;
Me móri a do Progra ma Auto-aval i ação; EE PRO M - não-vol átil (512 Bytes);
SRA M (1K Bytes); RTC w / Osc;
2 Te mpori zadores de 8 bi ts; 1Timers de 16 bi ts;
1 / 2 Canai s de Entrada;
QTouch Ma x / 12 / -Canai s QMatri x; 3 canai s PW M;
1 SPI; 1 TW I;
1USA RT (programá vel seri al ); Conversor A/D de 8 canai s; 1 Co mparador Anal ógi co;
19 Interrupções + Vetores Reset; 2 Interrupções externas;
Detector de Brown-Out;
Osci l ador de cri stal Sp Al to / Bai xo: H / L; On-chip os ci l ador RC: 1MHz + 1/2/4/8 MHz cal ; W atchdog w / osci l ador RC;
PLL Prescaler /: não / si m; 16 MIP S;
F. ma x (16 MHz); Vcc (V): 2.7-5.5; Ma x I / O de 23 Pi ns;
2.3.3 Pi nagens do At mega8 - Entradas e Saídas
Os pi nos do At mega8 são apresenta dos para encapsul amento s PDIP (P last ic Dua l Inl ine Package) e TQFP (Thin Prof ile P last ic Qua d Flat Package). A fi gura 11 traz as pi nagens do Atmega8 (AT MEL , 2010).
Fi g u ra 11 – Co n f ig u ração d o s Pi n o s At meg a8/ 8l F ont e: A tm el ( 2010) .
As pi nagens do At mega8 a que co rresponde às entradas e saídas são cha madas de PORT S de I/ O e são i denti fi cadas, segundo a ATMEL, por:
PORTB – Pi nos 14, 15, 16, 17, 18, 19, 9 e 10; PORTC – Pi nos 23, 24, 25, 26, 27, 28 e 1; PORTD – Pi nos 2, 3, 4, 5, 6, 11, 12, 1 3.
Nos PORT S de entrada B e D se conecta m equi pa mento s di gi tai s, como, L EDS, d isplays e o utros. O PORTC representa a s conexões de entradas anal ógi cas.
Outras característi cas de pi nagen segundo o catál ogo ATME L (2010, p.5; 6) são:
VCC - corresponde à tensão de al i men tação; GND - aterra mento;
PC6/Reset - É usado co mo u m pi no de I/O, cu ja s característi cas elétri cas di ferem dos outros pi nos do PORTC.
O PC6 é usado co mo u ma entrada de Reset. U m nível de tensão mai s bai xo nes te pi no por u m período mai or que u ma deter mi nada l argura de pul so, produzirá reset, mes mo que o clock não este ja rodando;
AVC C – Para tensão de ali mentação do conversor A/D. Deve ser conectado externa mente ao VCC, mes mo se o A/D nã o esti ver e m operação. Caso A/D esti ver operando e mprega-s e u m fi l tro entre este pi no e o VCC;
ARR EF – Para tensão de referênci a anal ógi ca do conversor A/D.
As característi cas de tensões e correntes de funci onamento do mi crocontrol ador At mega8 segundo a ATMEL (2010) são:
Tensão - 2.7 - 5.5V (ATME GA8L); Tensão - 4.5 - 5.5V (At mega8);
Consu mo de energi a e m 4 MHz, 3 V, 25 º C; Ati vos: 3,6 mA;
Modo Idl e: 1,0 mA;
Modo de al i mentação para bai xo: 0,5 u A.
2.3.4 Di agrama de Bl ocos do At mega8/ 8L
Para co mpreender o di agrama de bl ocos (CPU) do A VR e a estrutura i nterna e os peri féri cos do At mega8/8L são mostrados n a fi gura 12. Charl es Borges de Li ma (20 09, p.9; 10) afi rma:
A Uni dade de P r oc e s sam ent o C ent r al ( CP U) t em c om o pr i nc i pal at iv i dade a c or r et a ex ec uç ão do pr ogr am a, quai s o s ac e s so s a s m e m ór i as, c ál c ul os, c ont r ol e s per i f ér i c os e a s i nt er r upç õe s. O núc l eo A V R obt ém um c onj unt o de i n st r uç õ e s c om 32 r e gi st r ad or e s de t r ab al ho, q u e e st ã o l i gado s di r et am ent e a Uni da de Lógi c a A r i t m ét i ca ( ULA ) , a s si m per m i t e- se qu e d oi s r egi st r ador e s i nd e pend ent e s s ej am ac e s sad o s, c om um a si m pl es i nst r uç ão em um úni c o c i c l o de
c loc k . S ei s d o s 32 r egi st r ador e s p odem ser u sa do s c om o
r egi st r a dor e s de en der eç am ent o i ndi r et os de 16 bi t s ( pont ei r o s de ac e s so de da do s) . Um des t es p ont ei r o s d e dado s p ode - s e ut i li z ar par a a c e s sar t abel a s de m em ór i a f las h. E st e s r e gi st r a dor e s c i t ado s de 1 6 bi t s s ão d e nom i nados X, Y e Z .
Fi g u ra 12 – Di ag rama d e Bl o co s At m e g a8/ 8l F ont e: Atm el ( 2011) .
2.3.5 Si ste ma Clo ck
A fi gura 14 mostra que todos os clo cks tê m a neces si dade de sere m ati vados e m al gu m mo mento, s ua fi nali dade é reduzir o consu mo de potênci a e deter mi nar quai s os “ módul os de clock pode m fi car suspensos usando di ferentes modos de programação”. As opções d e clock do At mega 8/8L mostradas na figura 13 são: a) cri stal ressonador cerâ mi co externo, cri stal de bai xa frequênci a externo, b) osci l ador RC
externo, c) si nal de clock e xterno e ressonador RC i nterno. O osci l ador do si stema c lock i nterno eli mi na a necessi dade de componente s externos econo mi zando espaço, mas s o mente pode ser usado quando o clock não necessi ta ser preci so. S ua programação opera na casa 1MHz, 2 MH z, 4MHz ou 8 MHZ (LIMA, 2 009, p.16).
F ig u ra 13 – F o n t es E xt ern as d e Cl o ck d o AV R At meg a8: a) C ri st al , b ) Red e RC e c) S i n al E xt ern o .
F ont e: A tm el ( 2010) .
A fi gura 14 mostra os co mponente s do Si stema de Clo ck do At mega 8/8L.
F i g u ra 14 – Di st ri b u i ção Cl o ck F ont e: A t m el ( 2010) .
2.3.6 Co mparador Anal ógi co
O co mparador anal ógi co te m a funçã o de co mparar o val or de u ma tensão de entrada posi ti va no pi no PB0 (ICP1) co m val or de tensão na entrada negati va no pi no PB1 (OC1A). Deste modo se a tensão na entrada for posi ti va PB0 e mai or que tensão negati va PB1, o co mparador anal ógi co i ni ci a uma i nterrupção. Na saída do co mparador pode se ajustar a for ma de di sparo das i nterrupções e escol her as “forma s de di sparo por ra mpa de subi da e desci da ou pel a vari ação do nível l ógi co da saída” (SHUNCK; LU PP I, 2001, p.56).
2.3.7 W atchdog
O watchdog ou (Cão de Guarda) te m c o mo função de proteger o s trava mentos de software. Segundo SH UNK et al. (2001, p.59).
O s t r av am ent os oc or r em por pr ogr am a s m al esc r i t o s, de st e m odo “ o w at c hdog t r abal h a da se gui nt e f or m a: def i ne- se um t em po par a s eu t im er ”, c a s o e st e t im er se e sg ot e o w at c hd o g r es et a o m i c r oc ont r ol ador . M a s par a q ue o t im er não s e es got e, o pr o gr am a u su ár i o dev e r es et ar “ o t im er d o w at c hdo g ant e s d o e st o ur o” . S e o pr ogr am a t r av ar o “ t im er de w at c hdo g não s er á r e set ad o, oc a si o nan do a r ei ni c i ali z aç ão d o di spo si t iv o” .
O timer do watchdog trabal ha com osci l ador de clock 1MHz , so mente para seu funci ona mento, o q ue pode ser vi sual i zado na fi gura 14.
2.3.8 Reset
Charl es Borges de Li ma (2009, p.9; 10) afi rma que: “durante o Reset, todos os regi stradores de entrada e saídas são ajustados aos seus val ores default ”. Assi m a parti r do vetor de reset, cu jo val or é zero, o progra ma co me ça a ser executado. “As portas I/O são i medi ata mente i ni ci ali zadas quando u ma fonte de reset é ati va” (ATMEL, 2010).
Após o reset, o mi crocontrol ador fi ca se m ati vi dade por al guns i nstantes, graças a um atraso i nterno, desta for ma o reset se manté m por um pequeno período de te mp o. Deste modo, a “tensão de al i mentação pode al cançar um nível estável ” antes de o mi crocontrol ador i ni ci ar sua operação (LIMA, 2009, p.17).
Os mi crocontrol adores da ATMEL (2010) possuem quatro fonte s di sti ntas de Reset:
Reset após a al i mentação (Power- on-Reset) - ocorre na energi zação enquanto a fonte esti ver abai xo do li mi ar de Power-on-reset (
V
P O T); Reset e xterno – ocorre quando um ní vel bai xo está presente no pi no de reset durante mai s do que u m deter mi nado período de te mpo;
Reset do W atchdog – Quando o watchdog está aci onado e o timer (te mpori zador) estoura, há então reset;
Brow-out-Reset – ocorre quando a ten são de al i mentação ca i abai xo do val or defi ni do para Brow-out-Reset (VB O T) e seu detector esti ver habili tado.
2.3.9 Modo S leep
O modo sleep te m co mo funci onal i dade “habili tar o desli gament o dos módul os que o mi crocontrol ador não utili za, a finali dade é a econo mi a de energi a” (LIMA 2009, p .18). O modo sleep te m grande i mportânci a de tal forma que recebe um códi go de i nstrução excl usi vo. O AVR po ssui ci nco modos e segundo Li ma (2009, p.18) são:
Idle – A CP U é parada, mas SPI , USA RT, co mparado r anal ógi co, A/D, Interface seri al , contadores/te mpori zadores, watchdog e o si ste ma de i nterrupção conti nuam operando; Redução do Ruído do A/D - A CPU é parada, mas conti nua m
operando o A/D, as i nterrupções exter nas, o te mpori zador/contador2 e o watchdo g (se habi l i tado). Est e
modo é e mpregado para reduzi r ruído para o A/D e garanti r sua al ta resol ução;
Power-Down – o osci l ador externo é parado, mas conti nua m operando a i nterface seri al , as i nterrupções externas e o watchdog se habi li tado;
Power-Save – i gual ao Power-Down co m a e xceçã o contador/te mpori zador 2 operando assi ncronamente;
Standby – é i gual ao Power-Down co m a e xceção que o osci l ador é manti do funci onando, so mente para oscil ador externo a cri stal ou ressonante cerâmi co. O mi crocontrol ador acorda do sleep e m sei s ci cl os de clock.
2.3.10 Me móri as At mega8
A arqui tetura de hardware AVR pos sui doi s espaços de me móri a pri nci pal , a me móri a de dados e do espaço de me móri a do progra ma . As caracteri sti cas pri nci pai s das me móri as do AT mega8 segundo a ATMEL (2010) são:
SRA M – possui 1024 bytes acessívei s por mei o dos segui ntes modos de endereço: di reto, i ndi reto co m desl oca mento , i ndi reto co m pré-redução e i ndi reto co m pós-i ncre mento . Tri nta e doi s bytes da SRAM são reservados aos regi stradores do At mega8 e sessen ta e quatro, para o s regi stradores de entrada e saída;
FLASH – o At mega8 possui 8K Bytes de me móri a Flash. Sua autono mi a é de pel o meno s 10.00 0 ci cl os de gravação/ apaga mento. Todas as i nstruções do AVR são de 16 bi ts o u 32 bi ts;
EE PRO M - possui 512 bytes é organi zada separadamente, ou seja, cada byte pode ser l i do ou escri to i ndi vi dual e el etri camente, me s mo após o desl i gamento d o mi crocontrol ador, os dados não são perdi dos.
2.4 RED ES D E CO MU NIC AÇÃO
Neste i te m será abordada a evol ução das co muni cações se m fi o, dentre u ma i ntrodução teóri ca de co muni cação W ireless e seus padrõe s e a tecnol ogi a W i-Fi que será uti l i zada neste projeto.
2.4.1 Si ste ma W ireless
Co m a Era da Infor mação nos di as atuai s vi venci a-se uma necessi dade e u ma grande dependê nci a das co muni cações vi rtuai s entre pessoas co mparti l hando dados, infor mações e até ati vando outra s tecnol ogi as em mei o vi rtual . Entre as tecnol ogi as de comuni cação, a tecnol ogi a wireless consi ste e m u m si ste ma de co muni cação o qual se uti li za ondas eletromagnéti cas para trans mi ti r i nformações ou dados através do a mbi ente não uti li zando cabos.
Segundo Montei ro (2000, apud ROD RIGUE S, 2004, p.836) po r rede sem fi os se entende uma rede que utili za ondas el etromagnéti cas co mo mei o de trans mi ssão da i nfor mação, através de u m canal que i nterl i ga os di ferentes equi pamentos móvei s presentes na me s ma.
Ini ci al mente essa tecnol ogi a de comu ni cação wireless co me çou a ser desenvol vi da pel os pesqui sadores da Be ll Laborator ies co m a concepção do concei to de co muni cações cel ul ares na década de 60.
As redes se m fi o surgi ram nu m mo mento e m que di versa s apli cações de co muni cações w ire less estava m se desenvol vendo, entre as quai s pode se ci tar: tel efones sem fi o, tel efoni a cel ul ar, si stemas de segurança e si stemas de auto ma ç ão resi denci al , tema que será abordado neste projeto.
Ao l ongo dos te mpos surgi ram outros si stema s de co muni cações w ireless mai s vol tados para a tel efonia se m fi o e rede de computadores co m ne cessi dades di sti ntas conforme a trans mi ssão de dados e i nformações de u m equi pa mento p ara outro, co m a i ntenção d e padroni zação da rede. Segundo Dani el B. S. Oli vei ra, et al. (2007, p.4) são el as:
W PAN (W irele ss Personal Area Net work) - são redes d e tecnol ogi as wireless de pequeno al cance (entre 10 a 100 metros). É u m padrão para redes l ocai s, defi ni do pel o IEE E 802.15, para o endereça mento de red es se m fi o que uti li za m di sposi ti vos portátei s ou móvei s t ai s co mo P Cs, PD As , peri féri cos, cel ul ares, pagers e entre outros;
W LAN (W ireless Local Area Netw ork) - são redes d e tecnol ogi as sem fi o desti nadas à i nterl i gação de redes l ocai s co m al cance entre 100 a 300 metros. Trata-se de u m padrã o i mpl e mentado co mo e xtensão ou al ternati va para as redes co m cabea mento convenci onal (par trançado ou fi bra ópti ca); W MAN (W ireless Metropol itan Area N etwork) - desti nadas a
acessos de banda l arga de grande al cance para áreas metropol i tanas, com al cance e m torno de 6 k m;
W W AN (W ireless W ide Area Network) - desti nadas a redes de tel ecomuni cações e m l onga di stância, servi ços de voz e dados.
Depoi s de rel atados al guns si stemas se faz necessári o entender mel hor o que si gni fi cam os padrões e normas referentes à tecnol ogi a w ireless.
2.4.2 Normas W LAN
As tecnol ogi as de rede se m fi o na co muni cação não di fere m d e outras tecnol ogi as, poi s ta mbé m fo ra m cri ados padrões e nor mas i nternaci onai s. No Brasil exi ste um ó rgão regul amentador, a Agênci a Naci onal de Tel ecomuni cações (An atel ), que determi na regras da co muni cação de redes se m fi os. Mas para a operação de fai xas de frequênci a não se necessi ta de li cença de i nstal ação ou operação da rede sem fi o na parte resi denci al , já e m contra parti da no ramo d a co merci al i zação, no Brasil há necessi dade da l i cença na Anatel .
2.4.3 Bluetooth
A Nor ma Bluetooth I EE E 802.15 (W ireless Personal Are a Networks – W PA N) surgi u co m a i dei a de mi ni mi zar probl emas d e conecti vi dade entre aparel hos portáteis, do mésti cos e de i nfor máti ca.
A hi stóri a do si gni fi cado “Bluetooth ” v e m de u m v ik ing, o Rei da Di namarca, Haral d “Bluetooth ” Bl atand no período entre 940 a 981 d.C, que ganhou esse apel i do Bluetooth (d ente azul ) pel a col oração azulada de sua arcada dentári a. Deste modo o no me Bluetooth foi escol hi do para denomi nar a tecnol ogi a, por mei o que Rei da Di namarca era “um uni fi cador que usava di ál ogo como est ratégi a” (RUFINO, 2007, p182).
A Nor ma Bluetooth i ni ci ou seu desenvol vi mento e m meados de 1994, pel a mul ti naci onal das comun i cações Eri csson. As pri mei ras pesqui sas foram real i zadas 1998, por ci nco grandes companhi as: Eri csson, IBM, Intel , Noki a e Toshi ba. “Esse grupo formou o consórci o Bluetooth Spec ial Interest Group. Ho je, esse consórci o i ncl ui mai s de 2000 e mpresas e to ma as rédeas do desenvol vi mento do padrão” (OLIVEIR A et al., 2007, p.5).
As apl i cações são di versas podendo ser encontrada em mei os do mésti cos, na i nfor máti ca para transmi ti r dados e voz e pri nci pal ment e e m aparel hos portátei s e di sposi ti vos móvei s co mo cel ul ares, PDA,s e co mputadores portátei s.
Sua fai xa ISM (Industria l, Sc ient if ic, Medical) é centrada na frequênci a 2,4GHz. Nesta frequênci a pode m surgi r probl emas d e “i nterferênci as i nerentes” co m outra s tecnol ogi as que utili zam as mes mas fai xas de radi ofrequênci a. Nos países da Europa e Es tados Uni dos as fai xas ISM vari am entre 2400 a 2483,5 MHz. No Japão, a fai xa vari a de 2400 a 2500 MHz ( OLIVEIR A et al ., 2007, p.5). O s equi pamentos di spõe m de di ferentes potênci as e al cance, e m funçã o de três cl asses di sti ntas conforme a ta bel a 1:
Tabel a 1 – Potênci as e área de cobertura.
F ont e: S egur a nç a em r ede s em f i o (RUF I NO , p. 182, 200 7 ) .
A co muni cação Bluetooth entre di sposi ti vos é por vi a canal FH-CDMA (Frequency Hopp ing - Code-D ivis ion Mult iple A ccess). Onde u m trans mi ssor envi a um si nal a uma sé ri e randômi ca de frequênci as de rádi o e um receptor capta o “si nal si ncroni zando” com o trans mi ssor. A mensage m só é recebi da co m ê xi to após o receptor reconhecer a série de frequênci as pel as quai s o transmi ssor envi a o si nal (OLIVEIRA et al., 2007, p.5).
U ma rede Bluetooth pode ser compost a em até oi to di sposi ti vos, sendo u m di sposi ti vo master (concentrador) e sete di sposi ti vos cl i entes (slaves). Essa rede é deno mi nada de P iconet (RUFINO, 2007, p.183).
Para OLIVEI RA et a l. (2007, p.5):
Um a r ede pode ser f or m ada por div er so s m as t er s ( c om um núm er o m áx im o de 10) m ax im i z ando o núm er o de c o nex õe s. A band a é div i di da em 79 por t ador a s e s paç ada s de 1 M Hz , po s si bi l it ando a s si m um di spo si t iv o t r ansm i t ir em 79 dif er ent e s f r equênc i as. P a r a m i nim i z ar as i nt er f er ênc i as, o di spo si t iv o
m as t er , dep oi s de si nc r o ni z ado, pod e m udar as f r equ ênc i a s d e
t r ansm i s são d o s seu s s l av es por at é 160 0 v ez e s por seg und o . E m r el aç ão à sua v el oc i dade pode c h e gar a 72 1 k bp s , po s sui ndo t r ê s c a nai s de v oz .
Na fi gura 15 pode ser vi sto um e xe mpl o de u ma P iconet:
Fi g u ra 15 – P i co n et
