José Wadson Oliveira Silva
SISTEMA DE ACIONAMENTO DE CARGAS POR ACESSO REMOTO
UTILIZANDO PROTOCOLO MQTT: AUTOMAÇÃO
RESIDENCIAL/PREDIAL DE BAIXO CUSTO
Natal Junho de 2019
José Wadson Oliveira Silva
SISTEMA DE ACIONAMENTO DE CARGAS POR ACESSO REMOTO
UTILIZANDO PROTOCOLO MQTT: AUTOMAÇÃO
RESIDENCIAL/PREDIAL DE BAIXO CUSTO
Trabalho de conclusão de curso de graduação apresentado ao Departamento de Engenharia de Computação e Automação do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito para a obtenção do título de Engenheiro de Computação.
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Departamento de Engenharia de Computação e Automação – DCA
Orientador: Prof. Dr. Alexandre Magnus Fernandes Guimarães.
Natal Junho de 2019
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Silva, José Wadson Oliveira.
Sistema de acionamento de cargas por acesso remoto utilizando protocolo MQTT: automação residencial/predial de baixo custo / José Wadson Oliveira Silva. - 2019.
37 f.: il.
Monografia (graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia da Computação e Automação, Natal, RN, 2019.
Orientador: Prof. Dr. Alexandre Magnus Fernandes Guimarães.
1. Tomada inteligente - Monografia. 2. Sistema embarcado - Monografia. 3. ESP8266 - Monografia. 4. Protocolo MQTT - Monografia. 5. Automação de baixo custo - Monografia. I. Guimarães, Alexandre Magnus Fernandes. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU 681.5
AGRADECIMENTOS
A Deus, pelo dom da vida e por me dar o discernimento de entendê-la como uma eterna fonte de aprendizado diante dos bons e maus momentos, me dando forças para seguir em frente. A meus pais e irmãos, por me ajudarem a compreender as dinâmicas da vida e por sempre acreditarem em meu sucesso, me incentivando a ser uma pessoa melhor a cada dia.
À minha namorada, Larissa Graciano, que sempre me foi amiga, conselheira e confidente e sempre me estimulou a estudar e me manter firme nas tribulações dessa graduação. À UFRN e a todos aqueles que fazem acontecer o curso de engenharia da Computação dessa universidade, tanto os docentes quanto os técnicos administrativos e terceirizados, que se doam em prol de uma universidade mais justa, igualitária e humana.
Ao meu orientador, Alexandre Magnus, por acreditar no meu potencial e por ser prestativo e auxiliador na elaboração desse projeto.
A Luiz Felipe, aluno de iniciação científica no projeto de extensão do qual elaborei este trabalho, por me ajudar na parte prática desse projeto, em que superamos vários obstáculos em conjunto.
A Victor Schinaider, amigo e colega de área de trabalho, o qual me auxiliou no desenvolvimento do sistema web desenvolvido neste projeto, introduzindo a mim novas ferramentas de desenvolvimento de sistemas.
Por fim, aos amigos e colegas do curso, pelas mais diversas ajudas mútuas durante os vários projetos e trabalhos elaborados durante esses anos de graduação, dividindo e somando conhecimento na busca de uma formação de excelência.
“Pois, que adianta ao homem ganhar o mundo inteiro e perder a sua alma?”
RESUMO
Diante do racionamento dos recursos naturais e a consequente necessidade de fontes alternativas de energias e, sobretudo, as fontes de energias limpas, há cada vez mais a conscientização da sociedade em busca de se evitar o desperdício desenfreado de recursos, principalmente de água e de energia elétrica que abastecem as residências. O objetivo deste trabalho é mostrar como um protótipo de uma tomada inteligente pode ser útil no cotidiano das pessoas, seja em residências ou edifícios, no campo ou na cidade. O protótipo trata-se de um sistema embarcado que utiliza o kit de desenvolvimento NodeMCU 1.0 para acionamento de um relé através de um sistema web para interação com o usuário final utilizando protocolo MQTT dispondo de gráficos de potência e de corrente em tempo real bem como um sistema de agendamento do funcionamento da carga que está conectada. Desta forma, são mostradas as ferramentas e tecnologias utilizadas na elaboração deste sistema, que, ao final, se mostrou como uma forma de automação residencial/predial de baixo custo.
Palavras-chave: Tomada inteligente. Sistema embarcado. ESP8266. Protocolo MQTT. Automação de baixo custo.
ABSTRACT
Faced with the rationing of natural resources and the consequent need for alternative sources of energy and, above all, sources of clean energy, there is an increasing awareness of society in order to avoid the unrestrained waste of resources, especially water and electricity supply to households. The objective of this work is to show how a prototype of a smart outlet can be useful in people's daily lives, whether in homes or buildings, in the countryside or in the city. The prototype is an embedded system that uses an NodeMCU 1.0 development kit to drive a relay through a web system for interaction with the end user using MQTT protocol having real-time power and current graphs as well as a scheduling system of the load being connected. In this way, the tools and technologies used in the elaboration of this system are shown, which, in the end, proved to be a form of low cost residential / building automation.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Tipos de ESP8266. ... 18
Figura 2 – Circuito do ACS712. ... 19
Figura 3 – Relé de um canal com optoacoplador. ... 19
Figura 4 – Google Home. ... 23
Figura 5 – Google Home Hub. ... 24
Figura 6 – Amazon Echo. ... 25
Figura 7 – Tomada inteligente S30 da Sonoff. ... 25
Figura 8 – Tomada inteligente SP2 da Broadlink... 26
Figura 9 – Protótipo da tomada inteligente. ... 29
Figura 10 – Calibração do sensor de corrente. ... 30
Figura 11 – Teste do sensor de corrente. ... 31
Figura 12 – Circuito da tomada inteligente. ... 32
Figura 13 – Interface de informações da carga... 33
Figura 14 – Interface de agendamento da carga. ... 33
Figura 15 – Tópicos MQTT utilizados neste projeto. ... 34
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Relação de sensibilidade e corrente do sensor ACS712... 29 Gráfico 2 – Relação tensão de saída e corrente percebida pelo sensor ACS712... 31
LISTA DE TABELAS
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS
A Ampére
ADC Analog to Digital Converter CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua CSS Cascading Style Sheets
ECT Escola de Ciências e Tecnologia GPIO General Purpose Input/Output HTML Hypertext Markup Language HTTP Hypertext Transfer Protocol I/O Input/Output
I2C Inter-Integrated Circuit
IBM International Business Machines Corporation IDE Integrated Development Environment
IoT Internet of Things KByte Kilo Byte
mA Mili Ampére MHz Mega Hertz
MIT Massachusetts Institute of Technology MQTT Message Queue Telemetry Transport mV Mili volt
NTP Network Time Protocol
PIC Programmable Intelligent Computer PWM Pulse Width Modulation
RAM Random Access Memory ROM Read-only memory SPI Serial Peripheral Interface TCP Transmission Control Protocol TI Tecnologia da Informação TLS Transport Layer Security
UART Universal Asynchrounous Receiver/Transmiter UDP User Datagram Protocol
USB Universal Serial Bus
V Volt
Vca Voltagem em corrente alternada Vcc Voltagem em corrente contínua
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 13
2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 17
2.1 O Microcontrolador ESP8266 ... 17
2.2 Sensor de corrente ACS712 ... 18
2.3 Relé optoacoplado ... 19 2.4 Protocolo MQTT ... 20 2.5 O protocolo NTP ... 20 2.6 Angular ... 21 2.7 Arduino IDE ... 22 3 TRABALHOS RELACIONADOS ... 22
3.1 Google Home e Home Hub ... 23
3.2 Amazon Echo ... 24
3.3 Tomadas inteligentes da Sonoff ... 25
3.4 Tomadas inteligentes da Broadlink ... 26
3.5 Análise comparativa com este projeto ... 26
4 MONTAGEM DO PROTÓTIPO DA TOMADA INTELIGENTE ... 28
4.1 Calibração do sensor de corrente ... 29
4.2 Embarcando o circuito na caixa de montagem ... 31
4.3 Interface gráfica de controle da tomada inteligente ... 32
5 PROPOSTAS DE OTIMIZAÇÃO DESTE PROJETO ... 35
6 CONCLUSÕES ... 36
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1 INTRODUÇÃO
A descoberta da energia elétrica foi, sem dúvidas, um fator importantíssimo para o desenvolvimento da sociedade contemporânea. Equipamentos eletroeletrônicos, como computador, televisão, aparelhos de som, aquecedores e diversos outros, só existem graças à energia elétrica. Esta pode ser definida como a capacidade de uma corrente elétrica realizar trabalho.
Até o século passado não se existia uma preocupação minuciosa da sociedade em geral de se saber o consumo instantâneo de cada equipamento conectado à rede elétrica a fim de se evitar gastos desnecessários. Ligar ou desligar um equipamento era realizado exclusivamente de forma manual, ou nos melhores casos poderia se ter um controle remoto que daria a opção de realizar o acionamento do dispositivo a alguns poucos metros de distância.
A partir da segunda metade do século XX com o advento da Internet cabeada (Ethernet) e posteriormente com o advento da Internet sem fio (Wireless), houve uma revolução na forma de comunicação na sociedade como um todo.
Apesar de seu forte poder de impacto nos últimos anos e atualmente, o termo Internet das Coisas (em inglês: Internet of Things, abreviadamente, IoT) surgiu em 1999, proposto por Kevin Ashton do MIT, sendo definido, conforme líder mundial em pesquisa e aconselhamento sobre tecnologia – a Gartner, como a rede de objetos físicos que contém tecnologia incorporada para comunicar e sentir ou interagir com seus estados internos ou com o ambiente externo. Em outras palavras, é uma rede gigante de coisas conectadas, incluindo também pessoas. Assim, tem-se a relação coisas-coisas, coisas-pessoas e pessoas-pessoas.
Dentro de todo esse contexto, é esperado que todo e qualquer eletroeletrônico, seja num ambiente residencial ou predial, possa estar conectado de forma inteligente à Internet, uma vez que a imensa maioria desses produtos, comercializados principalmente em países subdesenvolvidos e emergentes, ainda não dispõe de circuitos inteligentes em seu processo de fabricação, com a finalidade de se interligar à Internet das Coisas.
Waka (2015) em seu trabalho de conclusão de curso desenvolveu um controle remoto de tomadas de energia elétrica, utilizando a plataforma de prototipagem Intel Galileo e tecnologias de software livre como o openHAB, um framework para automação residencial, e o middleware de comunicação Mosquitto, utilizando o protocolo MQTT – Message Queuing Telemetry Transport – para envio e recebimento de mensagens.
Soares et al (2017) desenvolveram um circuito para leitura, monitoramento e cálculo do consumo de energia elétrica de equipamentos conectados a uma tomada de uso geral com o
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objetivo de ser um protótipo de baixo custo e de tamanho físico pequeno a fim de poder ser inserido nas tomadas residenciais convencionais. Para isso, utilizaram um microcontrolador da família PIC, o DSPIC3012, um sensor de corrente ACS712 e um módulo Xbee Pro 900HP S3B, para transmitir os dados sem a necessidade de fios e possibilitar o controle e monitoramento à distância. Tudo isso conectado a um software desenvolvido de autoria própria dos autores, baseado IDE do LabVIEW.
Este trabalho visa mostrar o desenvolvimento de uma tomada inteligente como um elemento a ser utilizado em uma automação residencial/predial, a fim de posteriormente estar conectada a um medidor de energia inteligente. Este medidor incorpora recursos para monitorar parâmetros de energia de equipamentos e realizar funções como monitoramento de energia em tempo real, fator de potência e alertas contra sobretensão e sobrecorrente, conforme desenvolvido por Griner, Guimarães e Freitas (2015). Desta forma, uma proposição inicial de utilização seria inserir essa tomada inteligente para ser utilizada nas instalações físicas da UFRN a fim de se gerir o consumo de energia elétrica de equipamentos como bebedouros, possibilitando a redução das despesas da Universidade com esse tipo de energia.
1.1 Motivação
A internet das coisas é um tema bastante em alta no mundo das tecnologias, mas não tão presente na vida da maioria da população de países subdesenvolvidos ou emergentes como o Brasil, principalmente no tocante a automação de residências. O brasileiro ainda vive à “moda antiga” no que diz respeito a acompanhar o consumo dos equipamentos eletroeletrônicos presentes em sua residência, por exemplo. O acesso a eletrodomésticos inteligentes é algo ainda mais distante da realidade atual da imensa maioria da nação brasileira, o que dificulta ainda mais a possibilidade de uma automação residencial de baixo custo e eficiente.
Um levantamento feito em 2013 pela Associação Brasileira de Automação Residencial (Aureside) mostrou que, no Brasil, cerca de 300 mil lares já contavam com algum tipo de tecnologia de comunicação. O mercado de automação residencial prevê um crescimento de 11,35% por ano entre 2014 e 2020 em todo mundo.
Conforme o blog da Schneider Eletric Brasil:
A evolução da automação não vai parar, tornando-se cada vez mais necessária a utilização de sistemas inteligentes. Governos e entidades normativas brasileiras já estão criando incentivos e normas para a utilização desses recursos. Nos próximos anos, a evolução do país na
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área de energia elétrica poderá ser um gargalo. Por isso, a automação se perpetua e torna-se indispensável na vida moderna.
As projeções para o mercado de automação residencial e predial é crescer de forma bem acentuada para os próximos anos. Muitas empresas já atuam na terceirização de serviços de automação de segurança e acesso de condomínios por exemplo. Porém, as residências das classes baixa e média ainda não demonstram essa realidade nem mesmo as micro e pequenas empresas.
Assim, fica clara a necessidade de se externar ao mercado consumidor do Brasil, por exemplo, que se pode trazer as soluções de automação residencial e predial para a realidade atual da sociedade em geral, através de uma automação que vise o bem-estar de forma bastante acessível.
1.2 Metodologia
O desenvolvimento deste projeto visou integrá-lo a uma ferramenta web, uma vez que objetiva dar ao usuário final o poder de gerenciar um determinado equipamento através da Internet.
Buscou-se implementar no projeto as características necessárias para acompanhar o consumo do dispositivo monitorado. Assim, é disponível ao usuário final ver os gráficos em tempo real da corrente instantânea bem como a potência consumida em função do tempo. Além disso, incrementou-se um sistema de agendamento para acionar tal carga, em que se pode realizar agendamento tanto para ligar quanto para desligar o equipamento conectado.
Foram utilizados os equipamentos disponíveis no laboratório de Eletrotécnica da ECT para realizar testes de medição de corrente e potência, testes de calibração do sensor de corrente, testes de acionamento e testes de agendamentos em todas as fases de desenvolvimento do protótipo deste trabalho.
Todos os testes se mostraram aceitáveis, tanto no que diz respeito ao tempo de resposta do acionamento quanto os valores de medição de corrente, validando os valores teóricos calculados.
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O objetivo deste trabalho é mostrar o protótipo de uma tomada inteligente capaz de acionar um determinado equipamento seja eletrodoméstico ou não através da Internet, dando ao usuário final a possibilidade de verificar as informações de consumo de energia em tempo real bem como a possibilidade de se realizar agendamento de funcionamento da carga a ser monitorada por meio da Internet.
Utilizando conceitos de IoT, o trabalho visa integração posterior com um medidor de energia inteligente, dando a ideia de uma automação ampla visando a área de Smart Grid. Esta área é o conceito de uma rede elétrica inteligente a qual se utiliza da TI para fazer com que um determinado sistema elétrico seja mais viável, tanto economicamente quanto em termos de eficiência energética.
1.4 Organização do trabalho
Este documento está estruturado neste capítulo introdutório, o qual aborda o contexto social e a problemática a ser explicitada e mais 3 capítulos.
O capítulo 2 mostra os materiais e tecnologias envolvidas no protótipo da tomada inteligente, o qual fundamenta toda a teoria envolvida no escopo do protótipo.
O capítulo 3 mostra as tecnologias e dispositivos presentes no Mercado atualmente quando à automação residencial/predial, fazendo uma análise comparativa com o protótipo desenvolvido neste trabalho.
O capítulo 4 mostra o processo de montagem do protótipo da tomada inteligente mostrando todo o hardware e software envolvidos.
O capítulo 5 trata das possíveis otimizações que podem ser feitas a partir do escopo do protótipo aqui descrito.
O capítulo 6 mostra as conclusões e trabalhos futuros, no qual são retomadas as ideias principais apresentadas e são mostradas as possíveis soluções da problemática inicial bem como explicitadas possíveis propostas de continuidade deste trabalho buscando expandir as funcionalidades presentes.
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2 REFERENCIAL TEÓRICO
Uma tomada inteligente pode ser aqui definida como um sistema embarcado conectado diretamente a Internet visando gerar informações em tempo real da carga acionada. O sistema é a integração entre hardware, utilizando o kit de desenvolvimento NodeMCU 1.0 que utiliza o ESP12-E, embarcado numa caixa de montagem e software, uma aplicação web desenvolvida pelo autor.
No sistema embarcado, tem-se um NodeMCU 1.0 (ESP12E) que recebe informações de um sensor de corrente ACS712, o qual transmite suas informações para um broker MQTT que por sua vez envia informações para gráficos de tempo real numa página web. Ainda ligado ao NodeMCU, tem-se um relé optoacoplado que interliga a parte de potência com a parte de controle do protótipo. Para alimentar a parte de controle do sistema, tem-se uma fonte regulada de 220 Vca para 5 Vcc.
2.1 O Microcontrolador ESP8266
Hoje em dia o lema é conectividade e mobilidade. Estamos vendo coisas cada vez mais móveis e conectadas, principalmente referente à Internet. E dentre os inúmeros módulos que surgiram recentemente para explorar a onda da Internet das Coisas está o ESP8266, da empresa Espressif.
O ESP8266 é um System-On-Chip (Soc) com Wi-Fi embutido, dispondo de conectores GPIO, barramentos I2C, SPI, UART, entrada ADC, saída PWM e sensor interno de temperatura. Sua CPU opera em 80 MHz, com possibilidade de operar em 160 MHz. Possui uma arquitetura RISC de 32 bits, dispondo de 32 Kbytes de RAM para instruções, 96KBytes de RAM para dados e 64KBytes de ROM para boot. Sua tensão de alimentação é de 3,3 V e consome até 300 mA. Dispõe de um tamanho físico muito pequeno bem como seu preço de mercado que custa em torno de 25 reais, dependendo de seu modelo. A placa NodeMCU 1.0 que utiliza o ESP12-E tem as seguintes dimensões: 49 x 25,5 x 7 mm.
Os módulos ESP8266 são fornecidos numa ampla variedade de modelos, com diferenças perceptíveis principalmente no que tange à quantidade de I/Os disponíveis para acesso externo, e no tamanho do módulo, conforme ilustrado na Figura 1.
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Figura 1 – Tipos de ESP8266.
Fonte: https://www.embarcados.com.br/modulo-esp8266.
2.2 Sensor de corrente ACS712
O ACS712 é um transdutor de corrente baseado no Efeito Hall, sendo invasivo, fabricado pela Allegro. Geralmente é utilizado para medição em CC, mas também pode ser utilizado para medição em CA, o que o torna muito versátil. Seu funcionamento se dá em tensão de 5 V. A saída analógica do ACS712 fica grampeada sobre uma tensão de aproximadamente Vcc/2 (2,5 Vcc), quando há corrente circulando a saída irá tender a esse valor.
O dispositivo consiste em um circuito de sensor Hall linear preciso com uma trilha de condução de cobre localizado próximo à superfície da entrada invasiva. A corrente aplicada que flui através desta trilha de condução de cobre gera um campo magnético que é detectado pelo circuito Hall integrado e é convertida em uma tensão proporcional. A sensibilidade de saída é 66, 100 ou 185 mV/A para os ACS712 de 30 A, 20 A ou 5 A respectivamente. A Figura 2 ilustra um sensor ACS712:
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Figura 2 – Circuito do ACS712.
Fonte: https://portal.vidadesilicio.com.br/acs712-medindo-corrente-eletrica-alternada-continua/
Na Figura 2 é mostrado o ACS712, o qual produz um sinal analógico que varia linearmente com a corrente bidirecional CA ou CC primária, dentro da faixa especificada. Há gerenciamento de ruído, com valores que dependem da aplicação.
2.3 Relé optoacoplado
O relé é um módulo de acionamento que permite integração com um grande número de sistemas microcontroladores. Éalimentado por uma tensão de 5 Vcc e pode controlar cargas de corrente contínua ou alternada de até 10 A, dependendo do modelo. Suas saídas são: contato reversível NA (normal aberto), NF (normal fechado) e C (comum).
A vantagem do relé ser optoacoplado é o fato de isolar a região de controle da região de potência, funcionando também como uma proteção em casos de descargas elétricas (raios), protegendo o sistema microcontrolado. A Figura 3 ilustra um relé optoacoplado de um canal:
Figura 3 – Relé de um canal com optoacoplador.
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2.4 Protocolo MQTT
O MQTT, acrônimo de Message Queue Telemetry Transport, é um protocolo de sistema de mensagens assíncrono desenvolvido pela IBM ainda no final dos anos 90 com o propósito de vincular sensores em pipelines de petróleo a satélites, conforme Michael Yuan (2017).
Tal protocolo desacopla o emissor e o receptor da mensagem tanto no espaço quanto no tempo e, portanto, é escalável em ambientes de rede que não são confiáveis. Esse protocolo utiliza um modelo de publicação e assinatura. No final de 2014, ele se tornou oficialmente um padrão aberto OASIS, com suporte nas linguagens de programação populares, usando diversas implementações de software livre. (Michael Yuan, 2017).
Os motivos pelos quais se utiliza o MQTT ao invés do HTTP , com maior frequência no mundo da Internet das Coisas, é o fato de o HTTP ser um protocolo síncrono, unidirecional, com mensagens unicast e possuir muitos cabeçalhos e regras, enquanto o MQTT foi projetado para ambientes de comunicação assíncrona, muito utilizado na maioria dos sistemas de alto desempenho, os quais usam um barramento do sistema de mensagens assíncrono, em vez de serviços da web, para trocas de dados internos.
Ainda conforme Michael Yuan (2017):
O protocolo MQTT define dois tipos de entidades na rede: um broker e inúmeros clientes. O broker é um servidor que recebe todas as mensagens dos clientes e, em seguida, roteia essas mensagens para os clientes de destino relevantes. Um cliente é qualquer coisa que possa interagir com o broker e receber mensagens. Um cliente pode ser um sensor de IoT em campo ou um aplicativo em um data center que processa dados de IoT.
O princípio de funcionamento do MQTT ocorre através de publicação e assinatura. Após se conectar com o servidor, o cliente pode assinar qualquer tópico de mensagem do broker. Vale salientar que esta conexão pode ser realizada através de TCP/IP ou por uma conexão TLS. Assim, o cliente publica sua mensagem em um determinado tópico, informando ao broker o referido tópico e a mensagem propriamente dita. Em seguida, o broker encaminha a mensagem a todos os clientes que assinam esse tópico.
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O protocolo de tempo de rede, em inglês Network Time Protocol é um protocolo padrão da Internet utilizado a fim de organizar e manter um conjunto de servidores de tempo e caminhos de transmissão, como uma sub-rede de sincronização. É especificamente projetado para manter a precisão e confiabilidade, mesmo quando usado em caminhos típicos da Internet, envolvendo vários gateways e redes não confiáveis. Conforme David L. Mills, idealizador do NTP:
A integridade dos dados é fornecida pelas somas de verificação IP e UDP. Nenhuma instalação de gerenciamento de circuito, de detecção duplicada ou de retransmissão é fornecida ou necessária. O protocolo pode operar em vários modos apropriados a diferentes cenários envolvendo estações de trabalho privadas, servidores públicos e várias configurações de rede. Um recurso leve de gerenciamento de associação, incluindo acessibilidade dinâmica e mecanismos de intervalo de sondagem variável, é usado para gerenciar informações de estado e reduzir os requisitos de recursos.
Assim, esse protocolo é capaz de garantir as propriedades necessárias ao relógio de quaisquer dispositivos para o bom funcionamento das aplicações. Para tanto, todos os subsistemas envolvidos mantêm, em suas principais funções, a monotonicidade do tempo; Identificação de servidores de tempo conhecidos e confiáveis, evitando possíveis ataques; formação, em conjunto com outros servidores NTP, de uma topologia simples, confiável, robusta e escalável para a sincronização de tempo.
2.6 Angular
Consoante o blog de sua página inicial, o Angular é uma plataforma que facilita a criação de aplicativos com a web, combinando modelos declarativos, injeção de dependência, ferramentas de ponta a ponta e práticas recomendadas integradas para resolver desafios de desenvolvimento. Além de permitir que desenvolvedores criem aplicativos que estejam na web, em dispositivos móveis ou na área de trabalho.
O Angular possui código-fonte aberto baseado em TypeScript, o que evidentemente utiliza CSS, HTML e JavaScript para elaboração de interfaces Front-End. Sua equipe de desenvolvedores é liderada pela Equipe Angular do Google e por uma comunidade de colaboradores espalhados por todo o mundo. Angular é uma reescrita completa do AngularJS, feito pela mesma equipe que o construiu, e teve seu lançamento oficial em 14 de setembro de 2016 e atualmente está em sua versão 7.
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2.7 Arduino IDE
O Arduino IDE é um ambiente de desenvolvimento integrado utilizado para escrever e carregar códigos para placas de desenvolvimento como Arduino, NodeMCU, Raspberry dentre outras. Suporta as linguagens C e C++ utilizando uma estrutura de código especial marcada por duas funções principais: a função setup, que configura o hardware conforme o código a ser utilizado, sendo executada apenas uma vez; e a função loop, em que está a maioria do código utilizado na aplicação, sendo executada numa repetição infinita até que um outro código seja enviado para a placa.
A presença dessas duas funções principais não impede que outras funções sejam criadas em um programa utilizando o ambiente de desenvolvimento do Arduino, permitindo uma maior liberdade para quem já utiliza as linguagens C e C++.
3 TRABALHOS RELACIONADOS
Este capítulo visa mostrar algumas tecnologias disponíveis no mercado para automação residencial de grandes empresas mundiais que veem a necessidade de atuar num mercado voltado para a Internet das Coisas. A seção 3.1 mostra um equipamento para automação residencial desenvolvido pelo Google. A seção 3.2 mostra o dispositivo para automação residencial da Amazon. Já as seções 3.3 e 3.4 mostram algumas tomadas inteligentes comercializadas no Mercado atualmente, relacionadas às empresas das seções anteriores deste capítulo. Finalizando este capítulo, a seção 3.5 apresenta a comparação dos produtos e
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tecnologias presentes no Mercado com o dispositivo protótipo apresentado neste trabalho, mostrando a visão de mercado de cada tecnologia apresentada.
3.1 Google Home e Home Hub
O Google Home é um assistente doméstico apresentado em 2016 no Google I/O. Este assistente é baseado em uma caixa de som Bluetooth, que visa controlar todos os dispositivos conectados de uma determinada residência. Pode controlar lâmpadas, termostatos, televisores, aparelhos de som, ordenar a execução de músicas ou vídeos pelo Chromecast, dentre outras características. Além de ser integrado com o Google Assistant, o assistente pessoal do Google, permitindo realizar chamadas, criar alarmes, lembretes e fazer perguntas. A Figura 4 ilustra esse dispositivo.
Figura 4 – Google Home.
Fonte: https://store.google.com/gb/product/google_home.
O Google Home consegue fazer tudo isso apenas com comandos de voz e consegue ser controlador por até 6 vozes diferentes. Esse speaker inteligente está disponível no mercado em duas versões: Google Home e Home Mini.
No final de 2018, o Google anunciou o Home Hub, que é basicamente um alto-falante com Google Assistente e uma tela sensível ao toque de 7 polegadas, que serve também como uma central doméstica para conectar todos os aparelhos do ecossistema da companhia de Mountain View, conforme Yuge (2019). Isso faz com que além das funcionalidades já apresentadas pelo Google Home, seja possível também ver informações sobre o calendário, o YouTube, o Google Calendário, Google Maps, entre outras coisas de forma visual. A Figura 5 ilustra esse dispositivo.
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São mais de mil marcas e 200 mil dispositivos compatíveis com o Home Hub, com possibilidade de controle remoto via Google Home App, Yuge (2019).
Figura 5 – Google Home Hub.
Fonte: https://insider.dn.pt/gadgets/novo-gadget-da-google-inclui-um-ecra-apoio-visual.
3.2 Amazon Echo
O Echo é um alto-falante wireless inteligente desenvolvido pela Amazon e utiliza a Alexa como assistente pessoal, uma vez que reconhece comados de voz. A alexa é um assistente virtual inteligente desenvolvido pela Amazon e disponível no mercado no final de 2014, tendo como principais concorrentes o Google Assistant, Microsoft Cortana e Apple Siri.
O Echo é capaz de reproduzir músicas, fazer listas de tarefas, definir alarmes, podcasts de transmissão, ler audiobooks, fornecer informação sobre o tempo, tráfego e outras informações em tempo real. Esse dispositivo ilustrado na Figura 6 também pode controlar vários dispositivos inteligentes.
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Figura 6 – Amazon Echo.
Fonte: www.amazon.co.uk.
3.3 Tomadas inteligentes da Sonoff
A Sonoff. é uma empresa que desenvolve diversos dispositivos capazes de tornar todos os eletrodomésticos inteligentes. Desde que o celular tenha uma rede, os usuários podem controlar remotamente os dispositivos conectados estando em qualquer lugar e a qualquer momento. Outro recurso disponível é definir cronogramas para as cargas conectadas, que podem incluir contagem regressiva, ativação ou desativação agendada.
Essa empresa desenvolve tomadas inteligente como a S30 US WIFI SMART SOCKET ilustrada na Figura 7, que é desenvolvida no padrão dos Estados Unidos para controlar cargas de até 15 A, com preço online de até 260 reais. Esses dispositivos são compatíveis com a Alexa da Amazon e consequentemente com o Amazon Echo.
Figura 7 – Tomada inteligente S30 da Sonoff.
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3.4 Tomadas inteligentes da Broadlink
A Broadlink é uma empresa com foco em automação residencial no desenvolvimento de controle remoto, régua, tomada e demais dispositivos inteligentes. Para efeito de comparação com o trabalho aqui descrito, será mostrada a tomada inteligente SP2 dessa fabricante conforme ilustrado na Figura 8. Essa tomada controla a carga conectada de forma a garantir acionamento, agendamento com temporizador e monitoramento do consumo de energia. Utiliza o padrão europeu e suporta correntes de até 10 A. Todo o monitoramento é feito através de aplicativo e esse dispositivo também é compatível com Google Home e Amazon Echo através de seus assistentes pessoal com a Google Assistant e Alexa respectivamente. Esse dispositivo é vendido em lojas virtuais com uma média de 148 reais.
Figura 8 – Tomada inteligente SP2 da Broadlink.
Fonte: encurtador.com.br/xFITU.
3.5 Análise comparativa com este projeto
Após serem apresentadas algumas das tecnologias existentes no mercado para automação residencial, é possível se fazer uma comparação com o sistema aqui proposto, que mostra uma tomada inteligente capaz de controlar dispositivos de até 10 A.
O Google Home e suas variações bem como o Amazon Echo são tecnologias recentes no mundo das Tecnologias de Informação e Comunicação e se desencadeiam como consequência da força evidente da Internet das Coisas atualmente.
É fato que tudo isso se deu graças ao desenvolvimento das redes wireless como a rede Wi-Fi e aos avanços na microeletrônica que puderam proporcionar chips cada vez menores e
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com um alto poder de processamento, muito próximo do poder de processamento dos computadores pessoais disponíveis no início dos anos 2000.
Analisando os dispositivos de grandes empresas globais apresentadas nas seções anteriores, pode-se perceber que são tecnologias voltadas para atuar em um ambiente de dispositivos inteligente, que já utilizam a IoT desde seu processo de fabricação. Isso faz com que seu poder de atuação alcance os diversos dispositivos que são comercializados nessa visão de “coisas inteligentes”. Isso acaba não integrando os dispositivos tradicionais, que são a imensa maioria dos dispositivos utilizados pela maioria da população em países emergentes e subdesenvolvidos, tanto no domínio residencial quanto empresarial.
Nesse contexto, as tomadas inteligentes se mostram como forma de minimizar a tendência para o consumismo de “equipamentos inteligentes” de forma a não ocasionar um descarte prematuro de equipamentos tradicionais que estão dentro de suas respectivas vidas úteis. Logicamente é uma boa estratégia de mercado das empresas voltadas para esse novo olhar tecnológico quanto ao modo de se gerenciar os dispositivos de uma residência ou empresa. No entanto, o descarte prematuro dos equipamentos “sem inteligência” pode ocasionar um percentual de lixo a mais, caso não tratado da forma correta, podendo ser um agravante para os problemas ambientais urbanos.
Desta forma, a tomada inteligente aqui apresentada visa poder dar uma certa inteligência aos equipamentos tradicionais atuais que não foram fabricados com a visão da Internet das Coisas, se assemelhando aos produtos já comercializados conforme exemplos das seções anteriores, no entanto tendo uma visão de baixo custo de aquisição e se equiparando de certa forma aos benefícios apresentados por esses.
Embora seja apenas um protótipo e não disponha de muitos recursos como o reconhecimento por voz, o dispositivo é capaz de oferecer ao usuário final a liberdade de gerir cada equipamento conectado a cada tomada espalhada pela residência ou empresa na qual esteja inserido, dando a opção de ligar e desligar bem como fazer agendamentos de funcionamento e visualizar gráficos em tempo real de consumo energético. Tudo isso visando um baixo custo a fim de se poder popularizar uma automação de baixo custo e eficiente para todos os tipos de consumidores.
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4 MONTAGEM DO PROTÓTIPO DA TOMADA INTELIGENTE
Neste projeto, para a elaboração do protótipo da tomada inteligente, toda a parte de montagem do hardware foi elaborada dentro de um laboratório de eletrotécnica, o qual dispunha de todos os equipamentos para medição e análise de circuitos eletrônicos. A parte de montagem do hardware foi composta de: uma placa NodeMCU 1.0, que utiliza o microcontrolador ESP8266; um sensor de corrente ACS712; uma fonte regulada de transformação de tensão de 220 Vpara 5 V; um relé de 1 canal optoacoplado; uma caixa de montagem para embarcar todo o sistema; cabos com fio de proteção; um plug de tomada macho e um plug fêmea. Todos esses materiais custaram pouco menos de 100 reais, conforme Tabela 1 com base de preços entre os anos de 2018 e 2019. A parte de software contou com softwares livres e de código aberto em sua imensa maioria, apenas foi utilizado o broker CloudMQTT, mas em versão não paga.
Tabela 1 – Relação de preço dos materiais utilizados no protótipo da tomada inteligente
Material Preço (em reais)
1 NodeMCU 1.0 (ESP12-E) 42,90
1 Relé optoacoplado de um canal 11,00 1 Sensor de corrente ACS712 5,40
1 Fonte regulada 220V/5V 12,00
1 Caixa de montagem 10,00
Fio condutor (2 m) 7,00
2 plugues (macho e fêmea) 10,80
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Figura 9 – Protótipo da tomada inteligente.
Fonte: Própria.
4.1 Calibração do sensor de corrente
Uma das primeiras tarefas na montagem do protótipo da tomada inteligente foi calibrar o sensor de corrente ACS712, invasivo, a fim de ter seus valores de corrente medidos pelo ESP8266 e enviado para a aplicação, a qual irá gerar os gráficos de corrente e potência da carga inserida no sistema. O ACS712 utilizado tem sensibilidade de 185 mV/A, pois faz leitura de correntes de -5 A a 5 A, conforme Gráfico 1 disponível em seu datasheet:
Gráfico 1 – Relação de sensibilidade e corrente do sensor ACS712.
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A Figura 10 ilustra o processo de calibração do sensor de corrente realizado no laboratório de eletrotécnica da ECT:
Figura 10 – Calibração do sensor de corrente.
Fonte: Própria.
Inicialmente, foi conectado o ACS712 ao ESP8266 e a uma fonte de tensão ajustável no valor de 3 V a fim de verificar se a curva teórica de tensão em função da corrente mostrada no datasheet realmente estava de acordo com o circuito utilizado aqui, conforme Gráfico 2. Lembrando que a tensão foi mantida constante nos cálculos utilizados, no valor de 220 V.
Visto que o sensor estava calibrado, foi feito um teste com um resistor de 300 ohms conforme Figura 11, em que foi validado o sensor, dando uma precisão de 99,2%.
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Figura 11 – Teste do sensor de corrente.
Fonte: Própria.
O Gráfico 2 mostra o gráfico da tensão de saída pela corrente percebida pelo sensor ACS712:
Gráfico 2 – Relação tensão de saída e corrente percebida pelo sensor ACS712
Fonte: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/168326/ALLEGRO/ACS712.html
4.2 Embarcando o circuito na caixa de montagem
Na Figura 12, tem-se o sistema referente à tomada inteligente. Dentro da caixa de montagem está um cabo com fio de proteção que alimenta todo o sistema. Para alimentar a parte de controle, há uma fonte de regulada que, ao converter a tensão da rede elétrica para 5 V, alimenta a placa NodeMCU 1.0 através da porta USB. O sensor de corrente ACS712 é ligado
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em série com a fase do circuito, sendo conectado também à Placa do ESP8266, que receberá as informações de valor de corrente. Nesse contexto, o ESP8266 através da placa NodeMCU aciona um relé, que está conectado em série com a fase de alimentação do circuito. Pelo fato de esse relé já possuir optoacoplador, há o isolamento da parte de potência da parte de controle. Por fim, os fios de fase, neutro e terra irão alimentar a carga a ser acionada, garantindo sua proteção, conforme indicado na Figura 12.
Figura 12 – Circuito da tomada inteligente.
Fonte: Própria.
4.3 Interface gráfica de controle da tomada inteligente
Tendo a finalidade de ser uma ferramenta de fácil uso, foi desenvolvida uma aplicação web utilizando o framework Angular, que utiliza a linguagem JavaScript. Nesta aplicação há a funcionalidade principal de acionamento da carga em que o usuário pode ligar ou desligar a carga que está sendo acionada pela tomada inteligente, tendo a informação do status da carga (Ligado ou Desligado), conforme Figura 13. Além disso, há um sistema de agendamento em que é possível agendar um momento futuro para a carga ser acionada, consoante Figura 14. Isso garante uma maior comodidade para o usuário final que poderá realizar o acionamento da carga via Internet, onde quer que esteja. Esse sistema também conta com gráficos de corrente e de potência da carga acionada em tempo real, fornecendo, de forma intuitiva ao usuário, informações de consumo de energia elétrica e, consequentemente, seu gasto na conta mensal de energia do aparelho controlado. As informações são atualizadas a cada 1 segundo conforme
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programação realizada no NodeMCU 1.0. Nas Figuras 13 e 14 são exibidas as interfaces da aplicação web para uma determinada carga:
Figura 13 – Interface de informações da carga.
Fonte: Própria.
Figura 14 – Interface de agendamento da carga.
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Para explanar os tópicos MQTT utilizados no protótipo, a Figura 15 mostra a relação
publish/subscribe entre o NodeMCU 1.0, o broker CloudMQTT e a aplicação web desenvolvida
com o framework Angular:
Figura 15 – Tópicos MQTT utilizados neste projeto.
Fonte: Própria.
O botão Ligar/Desligar presente na aplicação web publica o tópico RELE passando o comando L1 para ligar a carga (acionar o relé) ou D1 para desligá-la. Des forma, o NodeMCU 1.0 devido estar subscrito nesse tópico, vai receber o comando L1 ou D1 e assim irá ligar ou desligar o equipamento controlado.
O sensor de corrente envia os dados de corrente para o NodeMCU 1.0 através da porta ADC, que converte os dados analógicos em digitais e assim esse kit de desenvolvimento pode enviar tais dados para aplicação web através de dois tópicos: um para corrente e outro para potência. Assim sendo, a aplicação por estar subscrita nos tópicos Corrente e Potencia pode gerar os gráficos de corrente e potência.
Por último, a aplicação web publica um tópico chamado EstadoAtual a fim de saber qual é o estado atual da carga controlada pelo NodeMCU 1.0. Isso foi preciso pois a aplicação iniciava sem saber essa informação e sempre indicava que a carga estava desligada precisando que o botão Ligar/Desligar fosse clicado uma vez para que se sincronizasse, de fato, com o dispositivo. Isso também ocorria quando se alternava entre abas: da aba Informações da Carga para a aba Agendamento. Assim, como a aplicação sempre está perguntando o estado atual da carga, ela inicia sempre sincronizada informando o estado atual correto. Portanto, devido ao Kit de desenvolvimento estar subscrito no tópico EstadoAtual ele retorna a informação Ligado ou Desligado, o que possibilita também o preenchimento dos gráficos de forma sincronizada com o botão Ligar/Desligar.
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5 PROPOSTAS DE OTIMIZAÇÃO DESTE PROJETO
A ideia de otimização desse protótipo de tomada inteligente é utilizar componentes ainda menores a fim de todo o protótipo caber dentro de uma caixa convencional de uma tomada de energia elétrica, possibilitando que projetos elétricos convencionais possam receber a inteligência de poder ter suas cargas monitoradas em tempo real por aplicações web. Uma dessas formas de otimizar é utilizar um ESP01, que é uma versão do microcontrolador ESP8266 pouco menos robusto, mas que é ainda menor fisicamente.
Uma outra grande otimização a ser realizada e que na verdade é uma continuação deste projeto é integrar a tomada inteligente a um medidor de energia inteligente conforme desenvolvido por Griner, Guimarães e Freitas (2015) na Figura 16.
Esse medidor utiliza uma placa Arduino para realizar os cálculos de energia provenientes do chip ADE7758. A proposta de otimização desse projeto é utilizar o ADE7758 juntamente com o ESP8266 a fim de poder utilizar a rede WiFi para receber os dados de cada tomada inteligente espalhadas dentro de um determinado projeto seja residencial ou predial.
Figura 16 – Medidor de energia inteligente utilizando ADE7758.
Fonte: Própria.
Uma outra possível otimização para melhorar o custo/benefício do projeto é utilizar um broker MQTT totalmente gratuito como o SAIOT, um broker desenvolvido por um grupo de pesquisa da ECT/UFRN e que já está em produção estando disponível em https://saiot.ect.ufrn.br.
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6 CONCLUSÕES
Concluída a elaboração do protótipo da tomada inteligente, pôde-se constatar que este projeto é viável para a automação de residências ou edifícios a baixo custo. Para chegar a essa conclusão não se levou em consideração os possíveis custos de mão-de-obra intelectual pela elaboração da tomada inteligente. Em análise, apenas se levou em consideração os custos das matérias-primas envolvidas. Pelo fato de chips e demais componentes eletrônicos estarem baratos nos dias atuais, é capaz de se elaborar projetos robustos com relativo custo/benefício. Caso houvesse a possibilidade de este protótipo ser enviado para a indústria para produção em grande escala, teria-se uma redução considerável do preço final unitário em relação ao preço do custo de elaboração deste projeto.
Em comparação com as opções de automação desenvolvida pelas grandes empresas multinacionais conforme mencionado no capítulo 3 deste trabalho, tem-se que este projeto apresenta vantagens em relação à preocupação com o descarte de equipamentos em plena vida útil, uma vez que faz com que os equipamentos tradicionais possam ser integrados ao mundo da Internet das Coisas, evitando assim um consumismo desnecessário. Além disso, a preocupação deste protótipo ser voltado para a automação de baixo custo faz com que as classes menos favorecidas economicamente possam ter acesso a tecnologias de automação residencial que hoje se mostram como uma realidade distante dessas classes devido aos preços praticados neste segmento atualmente.
Portanto, a elaboração deste projeto em sua totalidade possibilitou um amadurecimento acerca de desenvolvimento de sistemas web e sistemas digitais de forma íntegra, dando uma perspectiva do “ser engenheiro” ao discente que apresenta esse trabalho como forma de obtenção de grau de engenheiro da computação desta universidade.
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REFERÊNCIAS
Waka, G. M. Controle remoto de tomadas elétricas baseado nos conceitos da Internet das Coisas. 2015. 54 f. Monografia (graduação) – Instituto de Informática, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2015.
David L. Mills. Internet Time Synchronization: The Network Time Protocol. IEEE Transactions on Communications, Vol. 39, No. 10, Outubro de 1991.
Soares, L. F.; Brandt, J.; Godinho, R. A.; Bertoncello, R. Monitoramento de variáveis em uma tomada de uso geral - Smart Tug. In: Congresso técnico científico da engenharia e da agronomia, 2017, Belém. Anais. CONTECC, 2017.
Guimarães, A. M. F. ; Freitas, T. T. ; Griner, H. ; de Almeida, T. H. S. . Smart energy monitoring system with ADE7758 IC. In: 2015 5th International Youth Conference on Energy (IYCE), 2015, Pisa. 2015 5th International Youth Conference on Energy (IYCE), 2015. p. 1-5.
Curvello, A. Apresentando o módulo ESP8266. Disponível em: https://www.embarcados.com.br/modulo-esp8266. Acesso em: 11 abr. 2019.
Allegro MicroSystems. ACS712: Fully Integrated, Hall-Effect-Based Linear Current Sensor IC with 2.1 kVRMS Voltage Isolation and a Low-Resistance Current Conductor. Disponível em: https://www.allegromicro.com/en/Products/Current-Sensor-ICs/Zero-To-Fifty-AmpIntegrated-Conductor-Sensor-ICs/ACS712.aspx. Acesso em: 11 abr. 2019.
Yuan, M. Conhecendo o MQTT: Por que o MQTT é um dos melhores protocolos de rede
para a Internet das Coisas?. Disponível em:
https://www.ibm.com/developerworks/br/library/iotmqtt-why-good-for-iot/index.html. Acesso em: 16 abr. 2019.
Google Inc.. Angular: One framework. Mobile & desktop. Disponível em: https://angular.io Acesso em: 30 abr. 2019.
Ribeiro, R. Automação residencial: uma realidade cada vez mais presente em nossos lares. Disponível em: https://blog.se.com/br/gestao-de-energia-eficiencia- energetica/2013/01/20/automacao-residencial-uma-realidade-cada-vez-mais-presente-em-nossos-lares/. Acesso em: 06 jun. 2019.
Aureside – Associação Brasileira de Automação Residencial e Predial. Automação Residencial: demanda na Construção Civil. Disponível em: http://www.aureside.org.br/noticias/automacao-residencial--demanda-na-construcao-civil. Acesso em: 29 maio 2019.
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Angular Blog. News and Tips from the Angular Team. Disponível em: www.blog.angular.io. Acesso em: 25 jun 2019.
Yuge, C. Google confirma estreia e preço do Home Hub, assistente virtual com tela. Tecmundo, 2019. Disponível em: https://www.tecmundo.com.br/produto/135010-google-confirma-estreia-preco-home-hub-assistente-virtual-tela.htm. Acesso em: 23 jun 2019.
