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0 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS ELETRÔNICOS ANA CARLA SANTOS SISTEMA PARA AUTOMAÇÃO DE AMBIENTES FLORIANÓPOLIS, 2010 i ANA CARLA SANTOS SISTEMA PARA AUTOMAÇÃO DE AMBIENTES Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do título de Tecnólogo em Sistemas Eletrônicos. Professor Orientador: Muriel B. de Liz, Dr.Eng Coorientador: Everton L. F. dos Santos, M.Eng. FLORIANÓPOLIS, 2010 ii SISTEMA PARA AUTOMAÇÃO DE AMBIENTES ANA CARLA SANTOS Este trabalho foi julgado adequado para obtenção do Título de Tecnólogo em Sistemas Eletrônicos e aprovado na sua forma final pela banca examinadora do Curso Superior de Tecnologia em Sistemas Eletrônicos do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. ________________________________ Muriel Bittencourt de Liz, Dr.Eng Orientador ________________________________ Everton L. F. dos Santos, M.Eng. Coorientador ________________________________ Cláudia R. Silveira, Orientadora de Metodologia Banca Examinadora: _______________________________ André Luís Dalcastagnê, Dr.Eng. _______________________________ Prof. Joel Lacerda, Dr. iii Dedico este trabalho a todos aqueles que contribuíram para sua realização e aos meus familiares em especial. iv AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus pelo dom da vida e por me proporcionar paz e serenidade para enfrentar os obstáculos e superar os desafios. A minha família e, sobretudo aos meus pais, Carlos Henrique Santos e Claudilene Nalzita Melo Santos por todos os anos de incentivo, força e ensinamentos. Ao meu namorado Fabionei, pelo carinho, incentivo e apoio sempre demonstrados. Aos meus amigos, em especial a Manoela, que se fazem tão presentes no meu dia a dia, pela amizade e companheirismo de estudo e por ter me ajudado tanto ao longo da graduação. Aos professores do Departamento de Eletrônica, em especial ao meu orientador, Muriel, ao meu coorientador Everton e à professora Cláudia, por acreditarem em mim e por tantas vezes terem me incentivado e me acompanhado ao longo do curso. Ao Durval que me deu a oportunidade de participar no desenvolvimento deste projeto, e que sempre esteve disposto para solucionar todas as minhas dúvidas, com o qual aprendi muito. A toda equipe da ONEON, que apoiaram na elaboração deste trabalho de conclusão de curso, sempre estando presentes para os meus questionamentos e dúvidas. A todos que contribuíram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho. v O segredo é não correr atrás das borboletas.. É cuidar do jardim para que elas venham até você. Mário Quintana vi SANTOS, Ana Carla . Sistema para Automação de Ambientes, 2010. Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação Tecnológica em Sistemas Eletrônicos, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. 91 páginas RESUMO A automação pode ser definida de maneira simplificada, como sendo qualquer sistema que substitua ou facilite o trabalho humano por meio de soluções práticas e rápidas. Na busca desta praticidade é que surgiram, em meados da década de 70, os princípios da domótica, consistindo, assim, em um novo conceito e estilo de vida. O objetivo deste trabalho foi o de participar do desenvolvimento de um sistema de automação residencial composto por um controle remoto, um módulo acionador e um receptor infravermelho, dando suporte na etapa de desenvolvimento de processo, na montagem de placas de circuito impresso e nos testes funcionais. A pesquisa foi realizada no setor de Engenharia Industrial do LABelectron- Fundação CERTI, no período de agosto de 2009 a junho de 2010, seguindo os preceitos da pesquisa quantitativa do tipo exploratória. Os sujeitos envolvidos na pesquisa foram engenheiros elétricos, estagiários e cliente do produto. Os resultados dos testes concluem o desenvolvimento do projeto, nos quais são apresentados dados como: consumo da bateria, sensibilidade do teclado, segurança e interruptor pulsador. Palavras-Chave: automação, controle, módulo, receptor. vii SANTOS, Ana Carla . System Automation Environments, 2010. Completion of Course Work for Graduate Technology in Electronic Systems, Federal Institute of Education, Science and Technology of Santa Catarina, 91 pages. ABSTRACT Automation can be defined simply, as any system, to replace or facilitate human work through practical solutions and fast. In pursuit of this convenience is that arose in the mid-70s to the principles of home automation, thus constituting, in a new concept and lifestyle. The objective was to participate in the development of a home automation system comprising a remote control, an actuator module and an infrared receiver, supporting the development stage of the process, the assembly of printed circuit boards and functional tests. The research was performed in the Industrial Engineering Foundation CERTI-LABelectron in the period August 2009 to June 2010, following the precepts of the quantitative research of the exploratory type. The subjects involved in the research were electrical engineers, trainees and client product. The test results conclude the project development, in which data are presented as battery consumption, sensitivity of the keyboard, and safety push button switch. Keywords: automation, control, module, receiver. viii LISTA DE FIGURAS FIGURA 01 - Modelo de automação em uma planta residencial.................................26 FIGURA 02- Estrutura de comando do controle remoto..............................................27 FIGURA 03- Estrutura de comando módulo acionador...............................................28 FIGURA 04- Diagrama do controle remoto.................................................................29 FIGURA 05 – Bateria CR2032.....................................................................................30 FIGURA 06- Circuito transferidor de carga ................................................................31 FIGURA 07- Peça metálicas para acionamento do circuito transferidor de carga.......32 FIGURA 08- Sensor de toque capacitivo.....................................................................33 FIGURA 09- Diagrama do QT1081..............................................................................34 FIGURA 10- Oito chaves capacitivas...........................................................................35 FIGURA 11- Hardware do microcontrolador do controle remoto...............................37 FIGURA 12- Pontos de gravação do controle remoto..................................................38 FIGURA 13- Dispositivo para gravação do microcontrolador do controle remoto......39 FIGURA 14- Estrutura do firmware do microcontrolado do controle remoto............40 FIGURA 15- Protocolo ONEON Home do controle remoto.........................................41 FIGURA 16- Teclas de ações e funções do controle remoto........................................42 FIGURA 17- Led backlight...........................................................................................43 FIGURA 18- Sinalização de função. ............................................................................44e em relação a A2, para que Q1 e Q2 entrem em condições e desse ser positivo em relação a A1, para que Q3 e Q4 entrem em condução (BOGART, 2001, p 332). Segundo Bogart (2001), os triacs modernos possuem uma camada N adicional conectada ao gatilho, à qual funciona como um emissor de transistor NPN, que aumenta a sensibilidade do gatilho por um lado, mas precisa de uma corrente negativa no gatilho para disparar o dispositivo daquele lado. A Figura 30 mostra a curva característica de um triac. FIGURA 30- Curva característica do triac. Fonte : BRAGA, 2009 58 O eficiente controle da velocidade de um ventilador e até mesmo da intensidade da luz pode ser feito através do uso de um dimmer. O triac utilizado foi o BT 139, que possui características gerais como: • Máxima corrente no estado ligado = 16 A. • Corrente de pico no gate = 2 A. • Tensão pico no gate = 5 V. O que o circuito faz é controlar o ângulo de condução desses componentes eletrônicos. Disparando-o em diversos pontos do sinal senoidal da rede elétrica domiciliar, é possível aplicar potências diferentes a uma carga (lâmpada, ventilador). Assim, se o disparo for feito no início do semiciclo, todo ele (o semiciclo de potência) poderá ser conduzido para a carga e ela receberá potência máxima. Entretanto, se o disparo ocorrer no final do semiciclo, pequena parcela da energia será conduzida até a carga que operará com potência reduzida. Na Figura 31 podem-se observar as formas de onda, com disparos no início e no final do processo. FIGURA 31- Formas de ondas do disparo do triac. A Figura 32 mostra o triac interligado com o optoacoplador formando assim o circuito de potência. 59 FIGURA 32- Circuito de potência. 5.4 Microcontrolador do módulo acionador O microcontrolador utilizado para o desenvolvimento do módulo acionador também foi o ATtinny 2313, o qual possui características citadas no capítulo do controle remoto. A estrutura do desenvolvimento do hardware e do firmware do microcontrolador utilizado no módulo acionador, podem-se observar nos próximos subcapítulos. 5.4.1 Hardware do microcontrolador do módulo acionador Na Figura 33, pode-se observar o diagrama de blocos do hardware usado no microcontrolador. 60 FIGURA 33- Hardware do microcontrolador do módulo acionador. O diagrama anterior mostra em detalhes a arquitetura de hardware do módulo acionador, o qual mostra como o microcontrolador se comunica com os dispositivos ao redor e quais as portas que estão sendo utilizadas em cada uma das conexões. Nessa placa também foi feita a inserção de pontos de testes para auxiliar na gravação. Esses pontos são: • VCC- alimentação do microcontrolador em +5V • GND- terra ou neutro do componente. • SCK- Modo de interface serial universal para clock. • MISO- Saída serial do microcontrolador. • MOSI- Entrada serial do microcontrolador. Na Figura 34, observam-se os pontos de gravação na placa do módulo. TX EAC1 EAC2 Receptor IR Porta D Porta B MISO MOSI SCK GND VCC SINC I S P RX TX 5V GND Configurar senha Gravação de firmware 61 FIGURA 34- Pontos de gravação do módulo acionador. Além disso, também foi necessário o desenvolvimento de uma cama de pregos para realizar a gravação. A cama de pregos, assim como a que teve no controle remoto, é composta por seis agulhas banhadas a ouro, um cabo de alimentação e a comunicação é realizada através de uma interface ISP. A Figura 35 ilustra todo o dispositivo de cama de pregos do módulo acionador. 62 FIGURA 35- Dispositivo para gravação do microcontrolador do módulo acionador 5.4.2 Firmware do microcontrolador do módulo acionador Na Figura 36 pode-se observar o fluxograma do firmware do módulo acionador. 63 Protocolo ONEON Home Inicializa a aplicação Ocioso por 8,333ms (sinal de sincronismo) Sim Frame Transmite comando de status ONEON Home Não por Chave Verifica chave seletora Verifica interface serial Aplica função de acionamento de potência (função, ação) Frame 1 Sincron. Senha hab. Pulso Verifica interruptor Verifica status Status Ativa flag de ação Ação = ON Ação = OFF Habilita verificação de senha Desabilita verificação de senha Frame 2 Ativa flag de ação Verifica ação e função Confere Descarta comando Não por Não Sim 50 Sim Confere Verifica senha Frame 3 Verifica senha Ativa flag de ação Descarta comando Descarta comando Confere Sim 50 Sim 50 Sim 50 Sim 50 Não por Não por Sim 50 OFF ON Senha hab. Sim Não Não 50 Não 50 Não 50 Sim 50 Não 1 0 Sim Não Inicializa o protocolo ONEON Home Inicializa controladores de hardware FIGURA 36- Estrutura do firmware do microcontrolador do módulo acionador 64 Conforme mostrado na figura anterior, pode-se observar que são várias as etapas que compõem o firmware do módulo acionador. Primeiramente, para o desenvolvimento dessa etapa de trabalho foi criado novamente um protocolo proprietário . Na Figura 37 pode-se observar a estrutura do protocolo utilizado. FIGURA 37- Protocolo ONEON Home do módulo acionador. O fluxograma apresentado anteriormente mostra que o firmware do módulo acionador é dividido basicamente em quatro etapas: • Verificação de interruptor. • Verificação de sincronismo. • Verificação de ação e função. • Verificação de senha. Para haver verificação de interruptor, nenhum Frame (um conjunto de bits que compõe um protocolo), tem que ser detectado. Se houver um Frame haverá primeiramente uma verificação no sinal de sincronismo com a rede. O Frame 1 trata da verificação de ação e função do sistema. A senha do usuário pode-se ser verificada através dos Frames 2 e 3. Senha do usuário Função Ação Sincronismo 65 6 METODOLOGIA Uma pesquisa é um processo sistemático de construção do conhecimento que tem como metas principais gerar novos conhecimentos ou refutar algum conhecimento pré- existente. Para Lakatos e Marconi (1987, p.15), "a pesquisa pode ser considerada um procedimento formal com método de pensamento reflexivo que requer um tratamento técnico ou científico, e se constitui no caminho para se conhecer a realidade ou para descobrir verdades parciais" Assim, dentre as várias modalidades de pesquisas, neste trabalho será aplicada a pesquisa quantitativa do tipo exploratória. Segundo Minayo (1994), a pesquisa quantitativa representa o espaço científico, porque o traduz em “objetividade” e em “dados matemáticos”. Assim, este trabalho teve início com uma reunião inicial para levantar quais eram as reais necessidades do cliente em relação ao sistema de automação para ambientes. Após ter elaborado um tipo de caderno de especificações, o qual não foi mencionado no decorrer do trabalho, pois o cliente que solicitou o projeto não autorizou, foi realizada uma pesquisa bibliográfica, cujos tópicos essenciais foram: domótica, teclado capacitivo, fontes, optoacopladores, modulação e triacs. No capítulo subseqüente, foi apresentado o sistema de automação de ambientes projetado, no qual consta os fluxogramas de funcionamento do controle remoto e do módulo acionador, dando explicações de como seguiria o desenvolvimento do projeto. Após ter estabelecido isso, foram apresentados inicialmente todos os blocos que constaria o controle remoto: bateria, circuito integrado transferidor de carga, QT1081, firmware, modulador PWM e circuito de transmissão, onde constam todas as insformaçõesnecessários para o entendimento dessas etapas, os circuitos utilizados, os fluxogramas e as imagens ilustrativas. No capítulo sobre o módulo acionador, foi apresentado inicialmente um diagrama de blocos, que consta toda a estrutura do projeto do módulo acionador: fonte fast, circuito de sincronismo, firmware, circuito de potência, onde há explicações sobre o funcionamento de cada etapa, os circuitos utilizados, os fluxogramas e as imagens ilustrativas. Por fim, para o fechamento do projeto, foi necessário realizar testes em cada etapa mencionada anteriormente. Os testes do controle remoto dividiram-se em : consumo de bateria, alcance led infravermelho, sensibilidade do teclado, sensibilidade wake up e 66 inserção de senha. E os testes do módulo acionador dividiram-se em: segurança, condições agressivas (calor) e interruptor pulsador . Todos os testes foram realizados primeiramente em bancadas, no qual pode-se tirar fotos, ilustrando algumas das etapas mencionadas. Após ter feito e explicado todo o desenvolvimento do sistema de automação de ambientes composto por um controle remoto, módulo acionador e receptor infravermelho, considerações finais foram também mencionadas, onde consta as conclusões realizadas do projeto estabelecendo uma conexão entre o modelo teórico proposto e os dados obtidos na prática, daí o enfoque quantitativo do trabalho. 6.1 Métodos aplicados O projeto de conclusão de curso denominado de Sistema de automação de ambiente, foi realizado nos laboratórios da LABelectron Fundação CERTI, localizado no Balneário Estreito, próximo a Marinha, no período de agosto de 2009 à junho de 2010. A fim de uma maior organização de pesquisa, inicialmente foi feito um cronograma pessoal contendo todas as etapas do trabalho e aproximadamente o tempo de execução das mesmas. Pode-se observar que no decorrer da pesquisa, alguns itens demandaram mais tempo que os outros, mas seguindo o cronograma estabelecido desde o início, o projeto sempre manteve os objetivos específicos de uma forma clara e bem concisa. Após uma pesquisa bibliográfica, principalmente sobre o foco do trabalho, que foi domótica foram elaborados um caderno de especificações junto ao cliente e escolhido os principais componentes. Fluxogramas sobre o controle remoto e o módulo acionador, também foram elaborados para o maior entendimento das etapas que constariam o sistema de automação de ambientes escolhido. Em seguida, foi realizado um estudo em diversos datasheets, para cada bloco do controle remoto e do módulo acionador. Concluída essa etapa, iniciou-se a elaboração dos circuitos necessários, utilizando algumas técnicas inovadoras comparadas aos outros fabricantes. Após isso, foi necessário verificar o funcionamento de cada circuito através de testes também divididos de acordo com as etapas apresentadas, para a validação dos blocos implementados. 67 Concluídas todas essas etapas, o sistema foi integrado e testado através de uma jiga de teste realizada em bancada, na qual verificou-se o funcionamento do controle remoto, módulo acionador e do receptor infravermelho. Todas as etapas citadas foram documentadas no decorrer dos trabalhos, para assim auxiliar em possíveis publicações de artigos. 68 7 TESTES E RESULTADOS Teste é um processo realizado que envolve ações que vão desde o levantamento de requisitos até a execução do teste propriamente dito. Para uma melhor análise, dividiu-se o teste e os resultados obtidos em duas etapas: • Controle remoto . • Módulo acionador. Os próximos subcapítulos abordam a explicação de todos os testes realizados em cada etapa citada, assim como os resultados encontrados. 7.1 Testes e resultados do controle remoto No controle remoto, foram realizados testes referentes aos seguintes aspectos: • Consumo de bateria. • Alcance led infravermelho. • Sensibilidade do teclado. • Sensibilidade wake up. • Inserção de senha. 7.1.1 Consumo Foi necessário realizar alguns testes para definir qual era a vida útil da bateria CR2032, utilizada no projeto. Para isso, primeiramente, precisou-se medir a corrente nominal em funcionamento, a corrente em stand by e a corrente de transmissão como pode ser observado abaixo: 69 • In = 7mA. • Isb = 10uA. • Itx = 25mA. Além disso, foi necessário obter o ponto de tensão de corte do componente mais sensível. Nesse caso o microcontrolador ATtinny 2313. Através do datasheet da bateria, foi possível obter algumas informações, como se pode observar na Figura 38. FIGURA 38- Características de temperatura bateria CR2032. A temperatura adotada foi a de 20 graus Celsius. Além disso, foi utilizado um equacionamento matemático para calcular qual a vida útil da bateria: 70 Tbateria = (consumo ligado X tempo controle ligado sem tx) X (%tempo controle ligado sem tx) + (consumo tx X tempo controle transmitindo) X (%tempo controle transmitindo) + (consumo hibernando X tempo do controle hibernando) X (%tempo do controle hibernando) Os dados podem ser observados na Tabela 03: TABELA 03 – Dados do consumo da bateria. Controle ligado, sem transmitir tempo= 0,5 Horas consumo= 10 mA Controle transmitindo Número de atuações= 50 Unidades consumo= 40 mA Controle em hibernação tempo= 23,5 Horas consumo= 18 uA Através desse equacionamento, obteve-se uma duração de: • Consumo médio do controle em um dia:0,5183542 mAh. • Percentual consumido em 1 dia com relação à capacidade da bateria CR2032: 0,22%. • Autonomia: 463 dias, aproximadamente 15 meses. 7.1.2 Alcance Para determinar o alcance do sistema, foi necessário montar o ambiente de testes conforme mostra a Figura 39. 71 FIGURA 39- Teste de alcance do led Colocou-se o módulo acionador em um ponto de referência e traçaram-se duas linhas imaginárias compreendendo o ângulo de incidência do sinal infravermelho. Em seguida, foram traçadas linhas com espaçamento de 1 metro (m) a partir do módulo acionador, de modo a mapear de forma bastante clara o raio de ação do sistema. Dessa forma, foi possível determinar com uma precisão satisfatória a máxima distância de funcionamento do sistema, sendo que: • Alcance máximo do sistema fora do gabinete : 9 m. • Alcance máximo do sistema dentro do gabinete: 6 m. 72 7.1.3 Sensibilidade do teclado O ajuste da sensibilidade do teclado é extremamente suscetível a dois fatores: • Distância entre célula capacitiva e o gabinete mecânica. • Material de composição do gabinete. Por esse motivo, não existe uma maneira precisa de calcular os capacitores responsáveis pelo ajuste da sensibilidade, sendo necessário aplicar a sistemática de tentativa e erro para encontrar o ajuste ideal. Assim, partiu-se dos valores recomendados pelos circuitos de aplicação fornecidos pelo fabricante e, num primeiro momento, o ajuste foi realizado considerando apenas a superfície da placa nua, conforme mostra a Figura 40. FIGURA 40 - Ajuste da sensibilidade do teclado : placa nua. 73 Vencida essa etapa, partiu-se para o ajuste do circuito eletrônico com a placa dentro do gabinete, mostrado na Figura 41, considerando que o valor do capacitor é inversamente proporcional à sensibilidade, ou seja, quanto menor o capacitor de ajuste, mais sensível a tecla. FIGURA 41- Gabinete do controle remoto. 7.1.4 Sensibilidade wake up O ajuste do circuito de wake up ocorre da mesma maneira descrita para o teclado, considerando apenas que a célula capacitiva aparece na forma de barras metálicas, posicionadas estrategicamente nos lados do gabinete para que a placa seja “acordada” quanto ousuário manuseia o controle remoto. Nesse caso, vale a mesma lógica anterior, onde a sensibilidade é inversamente proporcional ao valor do capacitor. Nesse ajuste, também foi previsto que o controle remoto não ligaria quando colocado dentro do bolso do usuário, garantindo maior autonomia em relação à bateria. 74 7.1.5 Inserção de senha Para inserir uma senha no controle remoto o usuário, deve-se pressionar o botão de reset no verso, conforme ilustra Figura 42. FIGURA 42- Botão reset do controle. 75 Além disso, é necessário que o usuário pressione por 3 segundos o botão que se encontra no circuito receptor infravermelho, conforme mostra na Figura 43, no qual acenderá um led verde indicando que está pronto para receber uma senha. FIGURA 43- Botão reset do receptor infravermelho . A senha é composta por quatro dígitos. O usuário deve inserir um a um através do controle remoto, sendo que, a cada dígito inserido, um led irá piscar no ícone da Oneon. Ao final da inserção, o ícone acenderá indicando que a senha foi memorizada. O teste propriamente dito foi feito tentando acionar as cargas conectadas a um módulo acionador com a senha devidamente configurada e um controle remoto em qualquer tipo de configuração. Nesse teste, foi possível detectar a chegada do sinal do controle remoto no módulo acionador, porém, durante o tratamento de firmware o comando era descartado, confirmando a eficácia do sistema. 76 7.2 Testes e resultados do módulo acionador No módulo acionador, foram realizados testes referentes a: • Segurança. • Condições agressivas (calor). • Interruptor pulsador. Os próximos subcapítulos abordam a explicação de todos os testes realizados em cada etapa citada, assim como os resultados obtidos 7.2.1 Segurança Um dos pontos fundamentais do projeto é garantir que o produto não coloque em risco a segurança dos usuários. Por esse motivo, foi dimensionado um fusível com o intuito de evitar que o módulo acionador inflame mediante uma situação de corrente ou até mesmo uma corrente de curto circuito. Assim, considerando a corrente nominal máxima de operação, uma corrente de curto circuito da ordem de 400% do valor da corrente nominal, e a possibilidade do usuário utilizar uma carga indutiva no módulo acionador, que gere picos elevados de corrente e pede a utilização de um elemento de proteção não muito rápido, foi dimensionado um fusível para a proteção do sistema. Visando conferir a eficiência desse fusível, foi montada uma jiga de testes que permitia a conexão de diversos dispositivos como lâmpadas, ventiladores e condicionadores de ar, conforme ilustra Figura 44. 77 FIGURA 44- Jiga de testes: lâmpada. Dessa forma, foi possível atingir a corrente de atuação do fusível, constatando a sua atuação antes que alguma parte do equipamento significasse um eventual risco ao usuário. 7.2.2 Condições agressivas (calor) Como todos os testes realizados até esse momento foram realizados em ambiente de bancada, com temperatura controlada e condições um tanto quanto diferentes daquelas encontradas dentro de uma arandela, fez-se necessário um teste com condições mais próximas das reais. Para isso, foram vedadas todas as entradas de ar do gabinete, impedindo qualquer tipo de circulação de ar. Foi usado também isolante térmico, impedindo ao máximo que a placa eletrônica trocasse calor com o ambiente externo. Esse ambiente relativamente mais agressivo, provocou um superaquecimento na fonte de alimentação, que desencadeou uma instabilidade no microcontrolador. Foi necessário um reprojeto da fonte, diminuindo a potência dissipada nos diodos retificadores e reduzindo consideravelmente a temperatura do sistema. Os módulos 78 acionadores atuais que estão em testes de campo há dois meses demonstraram que o problema foi resolvido. 7.2.3 Interruptor pulsador Nesse teste, foi conectado um interruptor pulsador na recepção do módulo acionador e verificou-se o acionamento das cargas sem a intervenção do controle remoto. Vale ressaltar que nesse tipo de atuação, não existe a possibilidade de dimensionar a intensidade do acionamento, apenas os estados ligado e desligado. 79 8 PRODUTO FINAL O produto final é composto por todas as etapas explicadas nos capítulos anterior, ou seja, ele é composto por: • Controle Remoto. • Módulo Acionador. • Receptor infravermelho. Na Figura 45 pode-se observar o controle remoto completo. FIGURA 45 - Controle remoto. A Figura 46 mostra a imagem do módulo acionador. 80 FIGURA 46 - Módulo acionador.. O receptor infravermelho pode ser observado na Figura 47. FIGURA 47 - Receptor infravermelho. 81 9 CONSIDERAÇÕES FINAIS A maioria das soluções em automação residencial prioriza os aspectos tecnológicos ao invés de priorizar aspectos que melhorem o dia a dia das pessoas, não dando a atenção necessária aos valores que realmente satisfazem os clientes. Os produtos encontrados no mercado possuem custo elevado, necessitam de projetos complexos, reformas custosas e conhecimento avançado do usuário para o uso adequado, tornando a relação custo - beneficio deste tipo de solução pouco atraente. A oportunidade está em aproveitar a tendência de crescimento do setor da construção civil no Brasil e da busca pela personalização dos ambientes, para inserir novos produtos de automação residencial, mais acessíveis, fáceis de usar e com instalação simplificada em empreendimentos imobiliários. O principal objetivo deste trabalho foi obtido com sucesso, pois foi desenvolvido um sistema de automação de ambientes no qual novas técnicas, como células capacitivas, foram aprendidas. Esta pesquisa foi desenvolvida aproximadamente durante um ano, a fim de que o usuário controlasse o acionamento de luzes, ventiladores e outros aparelhos eletrônicos, através de um controle remoto de uso pessoal que é composto, além disso, por um módulo acionador e um receptor infravermelho. Para uma melhor compreensão, o trabalho foi dividido em três etapas: estrutura geral com os periféricos do controle remoto, estrutura geral do módulo acionador com todos os blocos de sua arquitetura e, testes e resultados em cada etapa para validação das mesmas. Primeiramente, analisando o controle remoto, pôde-se observar que a principal interface com o usuário é o teclado capacitivo sensível ao toque, que o usuário pode ativar ou desativar a iluminação, comandar um dispositivo, habilitar ou desabilitar a senha, configurar senha e função do módulo acionador e trocar a bateria. Um outro ponto importante foi a diminuição do consumo de bateria, através de um circuito de wake up, que nada mais é que duas chapas metálicas colocadas nas extremidades do controle, nas quais, somente quando o usuário “abraçar” o controle com a mão é que o ativará . Os testes realizados no controle remoto comprovaram a eficiência de todos os blocos validando-os. No módulo acionador, um dos pontos interessantes foi o uso de fonte de alimentação sem a utilização de transformador. Os testes também comprovaram a eficiência de todos os blocos compostos pelo módulo acionador. 82 Para uma maior visibilidade das etapas do sistema de automação de ambientes, fotos foram inseridas no desenvolvimento do projeto, assim como fluxogramas e tabelas. O mercado de automação residencial ainda é uma criança, abrigando diversas novas oportunidade de negócio, foi estimada para os próximos anos um movimento de bilhões de dólares para este mercado, e empresas como Microsoft, Ericson, Intel, Echelon, Siemens, Sony, Phillips e muitas outras estão abrindo seu campo de pesquisa e criandoseus próprios padrões de implementação de sistema de automação residencial. Ao final da pesquisa, pôde-se concluir que a domótica está em crescimento, ainda, com poucos protocolos bem definidos. Assim, encerra-se este trabalho de modo que todos os objetivos propostos foram realizados e os resultados obtidos foram satisfatórios. 83 REFERÊNCIAS ABREU, Roterdan S. Automacao_residencial.ppt: automação residencial, um pouco de história. Ribeirão Preto, 2003. 46 eslaides, color. PowerPoint for Windows 10.26. Arquivo baixado da Internet. Disponível em: . Acesso em: 2 mar. 2010. AGOSTINI, Renata. Apartamentos Inteligentes. Disponível em: http://www.aureside.org.br/imprensa/default.asp?file=45.asp. Acesso em: 12 jan. 2010. AMORY, Alexandre; PETRINI, Alexandre. 2001, 142f. Sistema Integrado e Multiplataforma para Controle Remoto de Residências. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Informática) – Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul. ANGEL, Patrícia Marta. Introducción a la domótica: tomo I. Embalse: EBAI, 1993. BOGART, Jr., THEODORE F., Dispositivos e circuitos eletrônicos , Volume II, São Paulo: Makron Books, 2001. CORCUERA CAVALCANTI. Arquiteturas e Automação, URL: Acessado em: 2 mar. 2010. LAKATOS, Eva Maria; MARCONI, Mariana de A..Metodologia do Trabalho Científico: procedimentos básicos, pesquisa bibliográfica, projeto e relatório, publicações e trabalhos científicos. 6. ed. São Paulo: Atlas, 2001. MINAYO, M.C. de Sousza. Pesquisa social: teoria, método e criatividade. Petrópolis: Vozes, 1994. Disponível em: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/almanaque/667-curva- caracteristica-de-um-triac.html. Acesso em: 11 mar. 2010. Disponível em : http://www.mspc.eng.br/eletrn/fontes_110.shtml. Acesso em: 3 mai. 2010. Disponível em: www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=2600¶m=e n535168. Data de acesso: 5 abr. 2010 84 Disponível em: http://www.aureside.org.br/. Acesso em: 27 abr. 2010. Disponível em: www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2543.PDF. Acesso em: 2 fev. 2010. Disponível em: www.kevin.org/frc/2004/TSOP34840.pdf. Acesso em: 4 mar. 2010. Disponível em: www.alldatasheet.co.kr/datasheet.../QUANTUM/QT1081.html. Acesso em: 4 mar. 2010. Disponível em: www.alldatasheet.com/datasheet.../MOTOROLA/MOC3051.html. Acesso em: 22 abr. 2010. 85 BIBIOGRAFIA COMPLEMENTAR ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14724: Informações e documentações – Referências – Elaboração. Rio de Janeiro,2005.24p. BRETERNITZ Vivaldo José. Domótica: as casas inteligentes. jun. 2001. Disponível em: . Acesso: em 21 fev. 2010. SEVERINO, A. Joaquim. Metodologia do Trabalho Cientifico. Ed. Cortez. 22ª Edição – 2002. Disponível em : http://translate.google.com.br/translate?hl=pt- BR&sl=en&u=http://www.planetanalog.com/features/showArticle.jhtml%3FarticleID%3D1 81401898&ei=-ArzS9uxAs- JuAfin4TPDQ&sa=X&oi=translate&ct=result&resnum=1&ved=0CCIQ7gEwAA&prev=/se arch%3Fq%3DCapacitive%2BTouch%2BSensing%26hl%3Dpt-BR%26prmd%3Div. Acesso em: 5 abr. 2010. Disponível em: http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/236. Acesso em: 25 mar. 2010. 86 ANEXOS 87 ANEXO A- Módulo Acionador e Controle Remoto 88 ANEXO B – Jiga de testes do controle remoto. 89 ANEXO C- Jiga de testes do módulo acionador: conexão com lâmpadas. 90 ANEXO D- Jiga de testes do módulo: conexão com ar condicionado . 91 ANEXO E- Jiga de testes do módulo acionador: conexão com ventilador.FIGURA 19- Sinalização de transmissão......................................................................45 FIGURA 20 Modulador PWM.....................................................................................46 FIGURA 21- Diagrama do módulo acionador..............................................................48 FIGURA 22- Retificação em ponte de diodos..............................................................49 FIGURA 23 – Conversor buck......................................................................................50 FIGURA 24- Fonte de alimentação sem transformador..............................................52 FIGURA 25- Circuito de sincronismo com a rede........................................................53 FIGURA 26-Símbolo do optoacoplador.......................................................................54 FIGURA 27- Optoacoplador utilizado no módulo acionador.......................................55 FIGURA 28- Símbolo do triac......................................................................................56 FIGURA 29 Circuito equivalente ao triac..................................................................56 FIGURA 30- Curva característica do triac...................................................................57 FIGURA 31- Formas de ondas do disparo do triac......................................................58 ix FIGURA 32- Circuito de potência................................................................................59 FIGURA 33- Hardware do microcontrolador do módulo acionador...........................60 FIGURA 34- Pontos de gravação do módulo acionador...............................................61 FIGURA 35- Dispositivo para gravação do microcontrolador do módulo acionador..62 FIGURA 36- Estrutura do firmware do microcontrolador do módulo acionador.......63 FIGURA 37- Protocolo ONEON Home do módulo acionador.....................................64 FIGURA 38- Características de temperatura bateria CR2032......................................69 FIGURA 39- Teste de alcance do led..........................................................................71 FIGURA 40 - Ajuste da sensibilidade do teclado : placa nua.......................................72 FIGURA 41- Ajuste da sensibilidade do teclado : gabinete........................................73 FIGURA 42- Botão reset do controle remoto...............................................................74 FIGURA 43- Botão reset do receptor infravermelho....................................................75 FIGURA 44- Jiga de testes: lâmpada............................................................................77 FIGURA 45 - Controle remoto....................................................................................79 FIGURA 46 - Módulo acionador.................................................................................80 FIGURA 47 - Receptor infravermelho.........................................................................80 x LISTA DE ABREVIATURAS A – Ampere. AC – Alternating Current. C – Carga 1. CR- Carga 2. Cs- Capacitor C- Capacitor. D- Diodo. DC- Direct Current. Dr. – Doutorado . Eng – Engenharia. F – Fusível. G – Gate. GND- Terra. http – Hypertext Tranfor Protocol. ISP-Interface Segregation Principle. IR – Infravermelho. I/0 – Entrada e Saída. In- Corrente Nominal. Isb – Corrente Stand By. Itx- Corrente Transmissão. kHz- Kilohertz. L- Indutor. M – Mestrado. MHz – Megahertz. MΩ - Megaohms. MIPS- Milhões de Instruções por Segundo. MT1 – Anodo 1. MT2-Anodo 2. MISO- Saída Serial do Microcontrolador. MOSI- Entrada Serial do Microcontrolador. mW – Milewats. xi mAh- Mileamper Hora. ms- Milisegundos. nF- Nanofaraday. uC – Microcontrolador. uA- Microampere. ON- Ligado. OFF- Desligado. p – Página. PWM- Pulse-Width Modulation. PCI – Placa de Circuito Impresso. Q –Transistor. R- Resistor. SCK- Modo de Interface Serial Universal para Clock. SIC – Sincronismo. TCC –Trabalho de Conclusão de Curso. Triac – Triode for Alternating Current USI – Universal Serial Interface. V- Volt . VCC- Alimentação. 12 SUMÁRIO RESUMO....................................................................................................................vi ABSTRACT...............................................................................................................vii LISTA DE FIGURAS..............................................................................................viii LISTA DE ABREVIATURAS...................................................................................x 1 INTRODUÇÃO......................................................................................................14 1.1 Justificativa...........................................................................................................15 1.2 Definição do problema..........................................................................................15 1.3 Objetivo geral........................................................................................................16 1.4 Objetivos específicos............................................................................................16 2 DOMÓTICA – TECNOLOGIAS E CONCEITOS...........................................18 2.1 Equipamentos automatizados direcionados a automação residencial...................20 2.2 Funções da domótica.............................................................................................21 2.3 Custos de uma Automação Residencial................................................................24 3 SISTEMA DE AUTOMAÇAO DE AMBIENTES............................................27 4 CONTROLE REMOTO ......................................................................................29 4.1 Bateria...................................................................................................................30 4.2 Circuito integrado transferidor de carga...............................................................30 4.3 Sensor de toque capacitivo....................................................................................32 4.3.1 QT1081..............................................................................................................33 4.4 Microcontrolador do controle remoto..................................................................36 4.4.1 Hardware do microcontrolador do controle......................................................37 4.4.2 Firmware do microcontrolador do controle.......................................................39 4.5 Modulador PWM e circuito de transmissão.........................................................45 5 MÓDULO ACIONADOR.....................................................................................48 5.1 Fontes de alimentação...........................................................................................48 5.1.1 Fonte alimentação sem transformador...............................................................51 5.2 Circuito de sincronismo........................................................................................53 5.3 Circuito de potência..............................................................................................54 5.3.1 Optoacoplador....................................................................................................54 5.3.2 Triac...................................................................................................................56 5.4 Microcontrolador do módulo acionador...............................................................59 5.4.1Hardware do microcontrolador do módulo acionador.......................................59 5.4.2 Firmware do microcontroladordo módulo.......................................................62 6 METODOLOGIA..................................................................................................65 6.1 Métodos aplicados................................................................................................66 7 TESTES E RESULTADOS...................................................................................68 7.1 Testes e resultados do controle remoto.................................................................68 7.1.1 Consumo............................................................................................................68 7.1.2 Alcance..............................................................................................................70 7.1.3 Sensibilidade do teclado....................................................................................72 7.1.4 Sensibilidade wake up........................................................................................73 7.1.5 Inserção de senha...............................................................................................74 7.2 Teste e resultados do módulo acionador..............................................................76 7.2.1 Segurança...........................................................................................................76 7.2.2 Condições agressivas (calor)..............................................................................77 13 7.2.3 Interruptor pulsador...........................................................................................78 8 PRODUTO FINAL................................................................................................79 9 CONSIDERAÇÕES FINAIS................................................................................81 REFERÊNCIAS........................................................................................................83 BIBIOGRAFIA COMPLEMENTAR.....................................................................85 ANEXOS....................................................................................................................86 ANEXO A- Módulo Acionador e Controle Remoto..................................................87 ANEXO B – Jiga de testes do controle remoto.........................................................88 ANEXO C-Jiga de testes do módulo acionador: conexão com lâmpadas..................89 ANEXO D- Jiga de testes do módulo acionador: conexão com ar condicionado......90 ANEXO E- Jiga de testes do módulo acionador: conexão com ventilador................91 14 1 INTRODUÇÃO A Automação Residencial inicialmente é referenciada como uma novidade que, às vezes causa perplexidade pelo seu alto grau tecnológico e pela alusão ao futurismo, ao mesmo tempo que pode ser compreendida como um símbolo de status e modernidade. Segundo José Cândido Forti, presidente da AURESIDE, transformar casas em confortáveis refúgios capazes de oferecer segurança e economia de custos é uma das vantagens da automação residencial. O que antes parecia ser um privilégio de poucos, começa a se difundir nos empreendimentos residenciais e prediais de médio nível, transformando o conceito de casa do futuro em casa do presente . A domótica, também conhecida pelos termos “Casa Inteligente”, “Smart Building”, “Casa Automatizada”, “Automação Residencial”, e que se relaciona diretamente com o termo “Automação”, é uma filosofia de uma nova aplicação tecnológica para automação de residências. Seu objetivo é satisfazer as necessidades básicas dos ocupantes de uma edificação: melhorar a qualidade de vida, proporcionar redução do trabalho doméstico, aumentar o bem-estar e a segurança de seus habitantes e proporcionar a utilização racional e planejada dos diversos meios de consumo. Assim, o próprio sistema zela pela segurança dos moradores da residência, sem que seja necessária a intervenção direta dos mesmos. Para ter uma melhor compreensão da domótica, faz-se necessária, neste trabalho, uma breve explanação sobre a automação, capítulo 2, já que os termos domótica e automação residencial são considerados sinônimos ou equivalentes. A automação é qualquer sistema que substitua ou facilite o trabalho humano por meio de soluções práticas e rápidas. Na busca desta praticidade, este trabalho tem como objetivo acompanhar o desenvolvimento de um sistema de automação de ambientes, composto por um controle remoto, um módulo acionador e receptor, auxiliando em todas as etapas de desenvolvimento. No terceiro capítulo, há uma explicação das etapas que serão seguidas para o desenvolvimento do projeto, mostrando os fluxogramas do controle remoto e do módulo acionador. No quarto e quinto capítulos, serão explicados respectivamente, todos os blocos que irão compor o controle remoto e o módulo acionador, contendo fluxogramas e figuras ilustradas. No sexto capítulo serão realizados testes relatando os resultados alcançados e, finalmente, o sétimo capítulo mostrará as figuras do produto final divididas em controle remoto, módulo acionador e receptor. 15 A abrangência do tema automação, bem como tendências mercadológicas na esfera tecnológica, faz despertar o interesse pela pesquisa sobre o tema, como elo de aproximação das ciências envolvidas, promovendo, assim, a interação entre tecnologia e as atividades ligadas ao nosso cotidiano. 1.1 Justificativa A automação está presente para facilitar as atividades exercidas tanto no ambiente de trabalho quanto no doméstico. Isso se deve ao fato de que a população está cada vez com menos tempo disponível, mas sempre preocupada com a segurança e com a economia dos recursos. Com o propósito de buscar soluções para esse tipo de necessidade e facilitar nosso modo de vida é que surgiu a domótica. Esse termo foi criado para designar a integração de tecnologias e serviços aplicados a domicílios, escritórios e pequenos edifícios buscando o aumento de segurança, conforto e economia de energia. Segundo Abreu (2003), o objetivo da automação residencial em locais de trabalho de pequeno porte é integrar iluminação, entretenimento, segurança, telecomunicações, aquecimento, ar condicionado e muito mais através de um sistema inteligente e programável. Como consequência, fornecer praticidade, segurança, conforto e economia para os usuários. Além do aprendizado dessa tecnologia, a outra grande motivação para a escolha deste tema foi a oportunidade de acompanhamento de um projeto a ser desenvolvido dentro do LABelectron – Fundação CERTI (Centros de Referência em Tecnologias Inovadoras). Temos a devida autorização do cliente que financiará o trabalho de pesquisa e desenvolvimento desse sistema. Assim, unindo os conhecimentos adquiridos no decorrer do curso com a experiência dos profissionais do LABelectron é que se desenvolverá este trabalho, com o propósito de inovar o meio de interação das pessoas com o ambiente. 1.2 Definição do problema Atualmente, quando se fala no termo domótica, depara-se com uma modalidade de automação que visa solucionar problemas de situações cotidianas. Mas qual a importância de se ter um sistema automatizado? 16 Para responder a essa pergunta é interessante considerar que, além de maximizar tempo, promovendo inúmeros benefícios diretamente ligados à segurança física dos habitantes e do patrimônio, o objetivo da automação é substituir ou facilitar o trabalho humano por meio de soluções práticas e rápidas. Assim, neste trabalho, o usuário poderá controlar o acionamento de luzes, ventiladores e outros aparelhos eletro-eletrônicos através de um controle remoto. Porém, será que é possível desenvolver um sistema de automação cujo interfaceamento com o usuário seja feito de modo mais intuitivo comparado aos modelos atuais?Para responder tal pergunta será necessário obter um sistema automatizado com características exclusivas e melhorias com relação aos produtos similares no mercado, tomando alguns cuidados específicos de layout do teclado capacitivo, ajustando a sensibilidade do teclado. Além disso, será necessário elaborar um circuito de baixíssimo consumo, visando utilizar baterias mais leves e compactas. A personalização do controle, a fim de que apenas usuários habilitados comandem o sistema também é outro ponto a ser considerado e a capacidade de aumentar a corrente fornecida pelo módulo para níveis superiores ao dos equipamentos similares é importante para se ter um sistema apropriado 1.3 Objetivo geral O objetivo deste trabalho é participar do desenvolvimento de um sistema de automação residencial composto por um controle remoto, um módulo acionador e um receptor infravermelho, dando suporte na etapa de desenvolvimento de processo, na montagem de placas de circuito impresso e nos testes funcionais 1.4 Objetivos específicos Para o trabalho proposto estabeleceram-se os seguintes objetivos específicos: � Utilizar a tecnologia de células capacitivas. � Realizar modulação de sinais digitais. 17 � Transmitir pacotes de dados através de sinais infravermelhos. � Elaborar um controle com design próprio para porte em bolsos. � Desenvolver um módulo compatível com o controle. � Analisar e validar os resultados obtidos. 18 2 DOMÓTICA – TECNOLOGIAS E CONCEITOS Domótica é a integração de tecnologias e serviços, aplicadas a lares, escritórios e pequenos prédios, com o objetivo de automatizar e obter maior conforto e comodidade, comunicação, economia de energia e aumento da segurança. A origem do termo domótica, vem da difusão da palavra latina domus (casa),com a palavra telemática (sobretudo robótica). Fi adotado na Europa para designar o campo de aplicação tecnológica que visa a integração do espaço arquitetônico, da informática e das telecomunicações; já nos Estados Unidos e Japão adotou-se a expressão “intelligent building” . O objetivo da automação residencial é integrar iluminação, entretenimento, segurança, telecomunicações, condicionamento de ar, e muito mais através de um sistema inteligente, programável e centralizado. Pode ser feito de três formas: Sistemas interligados pela própria rede elétrica existente (...). Sistemas integrados por um controle remoto universal, possibilitando o controle de qualquer equipamento dotado de controle remoto por infravermelho. Sistemas integrados por central de automação, este é o sistema mais avançado e que tem a maior autonomia e depende de um projeto específico (CORCUERA CAVALCANTI, 2006). Segundo Angel (1993, p.43), a domótica é um novo domínio de aplicação tecnológica, tendo como objetivo básico melhorar a qualidade de vida, reduzindo o trabalho doméstico, aumentando o bem estar e a segurança de seus moradores e visando também a utilização racional e planejada dos diversos meios de consumo. A domótica procura uma melhor integração através da automatização nas áreas de segurança, comunicação, e de controle e gestão de fluídos. De acordo com Abreu (2003), o sistema de automação residencial se dividem em três tipos: a) sistemas autômatos(stand alone): são divididos módulos entre os cômodos, onde cada um pode ser transmissor ou receptor e os módulos (que podem estar controlando luzes); b) sistemas integrados com controle centralizado: a central é inteligente, as 19 configurações podem ser simples ou complexas, inclui ações ativadas por eventos, equipamentos controlados via infravermelho podem ser programados pela central; c) sistemas de automação complexos: integração total dos sistemas domésticos, a residência precisa ser projetada para essa automação, cabeamento estruturado. A utilização da domótica pode apresentar inúmeras vantagens, das quais destacam-se as seguintes: • Segurança - permite a detecção e alarme em caso de invasão de domicílio, a dissuasão através de sirene de alarme ou de sistema de luzes, a marcação de um número de telefone exterior, a simulação da presença dos moradores, através de dispositivos elétricos, tais como luzes, rádio e outros. • Gestão de energia - otimização do consumo de energia graças, por exemplo, à programação do aquecimento ou da climatização, tanto no interior como no exterior, seleção das zonas a aquecer tais como máquinas de lavar ou sistemas de iluminação, de acordo, por exemplo, com horários de baixa taxação (com evidentes vantagens, quer para consumidores, quer para fornecedores). • Conforto - controle de luzes de acordo com a luminosidade necessária, programação de regra automática, controle de aquecimento, de eletrodomésticos, etc. As referidas vantagens ganham maior acuidade nos casos de pessoas que apresentam problemas de mobilidade, tais como idosos ou portadores de necessidades especiais. Com a alteração dos padrões de vida, a domótica encontrou outras áreas onde poderá ser útil, aumentando o número de pessoas para quem se poderá tornar uma mais valida: despreocupação para pessoas que viajam constantemente ou mais autonomia a pessoas com necessidades especiais são apenas alguns exemplos. Dotar as casas com soluções tecnológicas que permitam a independência relativamente a terceiros, é um benefício que não é mensurável. Permitir que as tarefas domésticas fossem executadas de uma forma simples e acessível a pessoas idosas, com problemas de mobilidade ou com necessidades especiais, vem oferecer um maior conforto e melhorar a qualidade de vida. Pequenos gestos 20 do cotidiano, tal como controlar a iluminação, acionar aparelhos, a partir de uma diferente localização dentro de casa, assim, como acionar mecanismo de alerta quando um imprevisto surgir e a segurança destas pessoas estiver posta em causa. A força e a essência da domótica reside na conjugação dos diversos itens descritos. Para alguns pode ser tão simples quanto controlar a iluminação ou os aparelhos de sua casa, a partir do mesmo comando que utiliza para a TV. Para outros, é uma casa completamente automatizada que é controlado por uma interface de computador, completamente programado para se adaptar ao seu estilo de vida. O seu sistema de domótica pode ficar encarregue de todas as tarefas complicadas.Apenas a imaginação pode limitar as potencialidades que a domótica tem para lhe oferecer. 2.1 Equipamentos automatizados direcionados a automação residencial A automação pode trazer as vantagens, inerentes ao seu desempenho e aplicação: • Repetibilidade – processos mais uniformes. • Flexibilidade – alterações mais rápidas na produção. • Aumento da produção - através do melhor aproveitamento do tempo e aumento da velocidade de operação de máquinas e processos. • Valorização do ser humano - com a sua substituição em trabalhos repetitivos executados em longos períodos, com exaustão física e psicológica, em trabalhos perigosos e em ambientes agressivos. Como a automação pode acontecer em vários níveis de sofisticação técnica, pode-se encontrar aplicações que vão desde um controle de parâmetros dimensionais de elevada precisão, como controle de coordenadas em usinagem, medição de parâmetros dimensionais de peças e ferramental, onde é necessária a utilização de sistemas computacionais sofisticados que executam programas especialistas; até o uso de sistemas sem a inclusão de 21 técnicas de controle sofisticadas, com a aplicação de um lógica de automação simples onde o uso de programas e sistemas de programação simples e de uso geral. Até o início da década de 60, a utilização de reles eletromecânicos era praticamente a única opção para automação. Com o aparecimentodos microprocessadores, surgem os controladores lógicos programáveis, onde a forma básica de programação vem da lógica da programação dos diagramas elétricos a relês, operando apenas variáveis digitais, efetuando controle discreto. Na manipulação de variáveis analógicas tais equipamentos são chamados de controladores programáveis. O controlador lógico programável tem como função principal substituir as tradicionais lógicas eletro-mecânica, elaboradas através de relés, contatores, fios e outros elementos eletromecânicos que geram uma programação fixa que só é passível de se modificar ou alterar se um novo circuito for elaborado, construído e as mudanças físicas no projeto sejam executadas. 2.2 Funções da domótica Segundo Angel (1993), as funções de domótica nos permitem satisfazer a um número considerável de necessidades (citadas anteriormente). São definidas três classes expressivas de funções, segundo o tipo de “serviço” a que elas se dirigem, as quais se dividem em sub- funções: a) Função de gestão: a função de gestão tem por objetivo automatizar um certo número de ações sistemáticas. As automatizações se realizam segundo uma programação, um controle dos consumos e uma manutenção. As ações sistemáticas dessa função se relacionam principalmente com o conforto. (ANGEL, 1993, p. 48). A função de gestão pode ser dos seguintes tipos: • Gestão de iluminação: segundo Angel (1993), a gestão de iluminação fornece um dos primeiros elementos voltados ao conforto, adequado ao ambiente segundo a necessidade de cada usuário de acordo com a idade, capacidades físico-motoras, uso dos espaços ao longo do dia, repercussão sobre a ocupação dos espaços. A otimização 22 do uso e da economia de eletricidade é outro aspecto importante desta sub-função, sem deixar de lado o conforto dos usuários. Como serviços auxiliares podem-se citar a temporização, a variação de intensidade, o acendimento e apagamento automático programado, comandado à distância ou por comando de voz. • Gestão da calefação, ventilação e ar condicionado: permite ao usuário medir e controlar a calefação, as cargas elétricas e o seu próprio conforto. Teve um grande impulso com a evolução dos sensores e com a necessidade de racionalização de energia. Entre os confortos gerados por esta gestão, pode-se citar a otimização em relação ao meio externo; a auto-adaptação em relação aos equipamentos; a gestão, ambiente por ambiente. Sob o aspecto dos requisitos possíveis, podemos citar o controle a distância, passagem automática do regime conforto para o regime redução no caso da ausência de indivíduos, dentre outras. (ANGEL, 1993, p. 51-52). • Gestão da funcionalidade dos espaços: tem como objetivo flexibilizar o ambiente quando houver modificações nos grupos familiares, novos modos de vida e adaptação a novas necessidades. Visa permitir futuras atualizações nos sistemas atuais, instalação de novos sistemas, interconexões, permitindo a evolução das necessidades do usuário. (ANGEL, 1993, p.54). Nota-se que o projeto deve garantir as adaptações a novos equipamentos no futuro, levando em conta a estrutura do ambiente, é como se fosse pensar em cabeamento estruturado na disciplina de redes de computadores, porém, com tetos e pisos flexíveis, ou outras façanhas arquitetônicas, fomentadas pela tecnologia. Os requisitos básicos que a gestão de funcionalidades de espaços deve atender são: aumentar a produtividade e a segurança, empregar todos os recursos a forma mais eficiente possível, ter flexibilidade para novas e eventuais necessidades de uso. b) Função de Controle: conforme Angel (1993, p. 55), a função de controle dá ao usuário, por um lado, informações sobre o estado de funcionamento dos equipamentos e das instalações que os integram; e por outro lado, criam um registro dos diversos parâmetros e eventualmente, induzem os comandos corretivos. Para tanto ele conta com controles instantâneos e memorizados. Essa função tem por objetivo atuar sobre os dispositivos de regulagem das instalações, com a finalidade de que as tarefas 23 programadas sejam respeitadas. As funções de controle associadas com um algoritmo ou com uma unidade de tratamento da informação conduzirão às funções de comando. A função de controle pode ser dos seguintes tipos de acordo com Angel (1993, p. 53 à 62): • Controle Técnico: o controle técnico visa auxiliar o usuário a fazer o uso dos equipamentos, dispositivos e instalações mais confiáveis e também prover autodiagnóstico deles, o que permite, entre outros temas, programar os gastos. Esta sub-função é responsável por controlar os diferentes equipamentos e eletrodomésticos, as diferentes redes de alimentação, os diferentes fluídos utilizados na casa, a presença de intrusos e os parâmetros fundamentais para verificação do estado de saúde dos membros da família etc. Os valores apresentados devem ser extremamente confiáveis, para que possam ser utilizados como assistências ao usuário, como também ser ergonômica para atender todas as idades dos usuários. • Segurança e tele-transmissão: a domótica tem como preocupação prioritária a segurança, pois está associada aos bens materiais, incluindo a prevenção de intrusos, incêndios e acidentes domésticos. O sistema tem que ser confiável, evitando com isso falsos alarmes e se de fácil manuseio para todos os membros da família. c) Função de Comunicação: uma característica possibilitada pela comunicação é a interatividade. Através desta é permitido o telecomando e a programação para que os sistemas envolvidos obedeçam a uma certa padronização. A função de comunicação pode ser classificada por dois ângulos: a comunicação sem significados, por exemplo, sinais de áudio e vídeo, onde se busca a maior fidelidade possível; e a comunicação onde se visa intercâmbio de informações de controle do ambiente. 24 2.3 Custos de uma automação residencial O perfil do consumidor e até o local onde está localizado o imóvel influem na decisão de quais tecnologias devem ser adquiridas. Pessoas que vivem em residências isoladas tendem a priorizar investimentos em segurança (AGOSTINI, 2007). O acesso por biometria é uma das novidades mais procuradas do setor. O equipamento permite que o cliente entre e saia de casa utilizando apenas um toque, pois o sistema opera pelo reconhecimento da impressão digital, dispensando a tradicional chave ou o cartão. Já o monitoramento por vídeo é um recurso comum nos dias de hoje. Com ele, o cliente pode observar em tempo real o que está acontecendo em sua casa, por meio da internet ou de transmissões via satélite, e ainda ter os registros de vídeo gravados, em casas ou apartamentos situados em condomínios, a procura por tecnologias costuma ser mais diversificada. O projetista prevê uma mudança gradativa no nível de exigência dos consumidores, a tendência é que no futuro os clientes já busquem soluções previamente instaladas no imóvel. Conforto, segurança e economia. A automação residencial aplica tecnologias no ambiente doméstico para atender basicamente a essas três necessidades. O conforto é garantido por sistemas integrados de som, por exemplo, onde é possível reproduzir o áudio do home theater da sala em qualquer ambiente da casa. Ou por banheiras inteligentes, que o usuário pode controlar quando ainda está no trânsito, programando um banho na temperatura ideal, com o melhor nível de água e espuma, para encontrar tudo pronto ao chegar a casa. A segurança pode ser garantida por sistemas de travamento que isolam o morador em um cômodo da casa, na presença de um invasor. Ou, no caso de uma emergência médica, por um sistema que destranca a porta da casa e avisa ao médico e aos familiares o ocorrido. O apartamento inteligente pode ajudar também na economia de luz e energia. Ao entrar na residência, as luzespodem ser acionadas automaticamente ou, se ainda é dia, as janelas e persianas são abertas para utilizar ao máximo a iluminação natural. O tempo de utilização do ar condicionado ou do aquecimento também pode ser programado, evitando o gasto desnecessário de energia. Mas, ter um apartamento inteligente ainda é um luxo reservado para poucos, não se pode taxar a automação residencial como algo dispendioso sem antes comparar com gastos normalmente feitos ao se construir ou equipar uma casa. Caro é relativo, se for comparado o que se gasta em móveis e pisos e o que se gasta com automação, vai se vir que os valores estão muito próximos. A automação de modo geral e a 25 residencial está ficando cada vez mais acessível, por conta do barateamento das tecnologias e do aumento da concorrência no setor. Há dez anos havia poucas empresas no ramo e o custo era alto. Há projetos atualmente com apartamentos de 90m² e 100m², ou seja, não são apenas pessoas de alto padrão que estão à procura de sistemas automatizados (Agostini, R. 2007). Já existem algumas soluções no mercado para quem não está em busca de um novo imóvel, mas quer reformar sua casa com equipamentos de automação. Produtos com protocolo de transmissão sem fio, ou wireless, possibilitam o controle de sistemas elétricos e facilitam o manuseio da iluminação, do ar condicionado e outros recursos da residência.. O custo é menor, porque o cliente pode automatizar cada cômodo por sua vez. Há equipamentos próprios e produtos específicos para isso, geralmente relacionados ao controle de iluminação e de alguns eletrodomésticos. Cabe ao morador estabelecer quanto ele está disposto a investir em produtos e serviços de automação. O custo para a implantação da infra-estrutura em uma residência (em construção) para um projeto de automação é de cerca de 3 a 5% do valor do imóvel, informa Agostini, 2007. Nas residências já existentes esse valor é mais elevado, sem exatamente poder precisar valores, mas já existem no mercado soluções que auxiliam nesse processo. Mas mesmo os custos de infra-estrutura sendo considerados baixos (o que poderia facilitar o crescimento do mercado), ainda há muita resistência dos construtores em apostar nesse diferencial. A tendência é de que cada vez mais as pessoas se mudem para lugares que agreguem facilidades de serviços e os empreendimentos terão que oferecer diferencial e, portanto, se renderem à automação. A Figura 01 é um projeto de automação que mostra as necessidades de segurança, conforto e economia que podem ser atingidos dentro da automação. 26 FIGURA 01 – Modelo de automação em uma planta residencial. Fonte: AMORY, 2001 27 3 SISTEMA DE AUTOMAÇAO DE AMBIENTES O sistema de automação de ambientes permite que o usuário controle o acionamento de luzes, ventiladores e outros equipamentos eletrônicos como o de um ar condicionado, através de um controle remoto , que necessita de um módulo acionador e um receptor infravermelho para o seu funcionamento. Esse aparelho pode ser utilizado em qualquer ambiente como, por exemplo, apartamento, casa de praia, no trabalho, mantendo uma interação simples e intuitiva com o usuário. Uma vantagem desse produto é que ele garante a privacidade, possuindo um sistema de senha inserida pelo próprio usuário, desta forma, somente pessoas habilitadas podem controlar o ambiente. A principal interface do usuário com o sistema de automação de ambientes é o teclado capacitivo. Por ele pode-se selecionar funções, enviar comandos e inserir senha no sistema. O controle também interage com o usuário com sinais luminosos. Na Figura 02 pode-se observar o diagrama da estrutura de comando, que será explicado nos próximos subcapítulos. FIGURA 02- Estrutura de comando do controle remoto Controle Remoto Gerenciamento de Dispositivos Armazenamento Iluminação Teclado Capacitivo Circuito de Transmissão Circuito de wake up 28 Além disso, faz parte desse sistema um módulo acionador que decodifica as informações enviadas pelo controle remoto e atua diretamente na carga conectada em sua saída. A comunicação entre o controle remoto e o módulo acionador é feita através de sinais infravermelho. Na Figura 03 pode-se observar a estrutura de comando do módulo acionador. FIGURA 03- Estrutura de comando do módulo acionador. Módulo Acionador Gerenciamento de Dispositivos Detecção de função Acionamento de carga Resposta de comando Recepção IR 29 4 CONTROLE REMOTO O controle remoto é próprio para o porte em bolso, permitindo ao usuário interagir com o ambiente bastando para isso, direcioná-lo a um dispositivo receptor infravermelho e acionar o comando desejado. O controle remoto é composto por: • bateria moeda (CR2032); • circuito integrado transferidor de carga; • teclado capacitivo; • microcontrolador ; • modulador PWM; • transmissor IR. Na Figura 04 pode-se observar o diagrama em blocos do controle remoto. FIGURA 04- Diagrama do controle remoto. 30 4.1 Bateria Existem as baterias alcalinas e as de lítio; ambas possuem longa duração e maior versatilidade de uso, pois elas são de pequeno porte. As alcalinas tipo botão e miniaturas são econômicas, de alta confiança, têm um baixo custo por hora de uso, mas as baterias de lítio tipo botão são mais potentes, possuindo armazenagem de longa duração e são recomendadas para utilizar em condições extremas de temperatura. A bateria utilizada no controle é do tipo moeda (CR2032), cuja autonomia calculada para essa aplicação é de aproximadamente seis meses. Na Figura 05 pode ser observada a bateria utilizada. FIGURA 05 – Bateria CR2032. 4.2 Circuito integrado transferidor de carga O Circuito integrado transferidor de carga é um circuito digital capaz de detectar o toque ou até mesmo a proximidade do dedo do usuário. Alguns componentes passivos fazem parte de sua configuração, e o projeto da placa de circuito impresso merece uma atenção especial para que ele funcione adequadamente. A célula que será usada para a detecção do toque deverá seguir algumas recomendações do próprio fabricante quanto ao tamanho, forma, espessura do cobre e layout dos circuitos adjacentes. É necessário que ela seja de 31 superfície condutora, podendo variar desde um circuito impresso até o óxido de índio aplicado sobre tela transparente. Uma célula maior que o recomendado pode apresentar problemas de hipersensibilidade, bem como o efeito contrário poderá ocorrer em células com dimensões menores que as especificadas no manual. Outro fator determinante para o ajuste de sensibilidade são os capacitores localizados na entrada do circuito integrado. Esses capacitores, em conjunto com a capacitância exercida pelo toque são responsáveis pela caracterização do toque que será reconhecido pelo sistema. Os valores dos capacitores é recomendado pelo fabricante, sendo que as adaptações são necessárias baseando-se nas variações de layout de cada aplicação. A aplicação desse circuito integrado da forma como está caracterizado no controle remoto, ou seja, visando à alimentação do circuito através do toque do usuário é patenteada, sendo a principal responsável pelo baixo consumo do sistema (inferior a 10 µA). Na Figura 06 mostra o diagrama do circuito transferidor de carga. FIGURA 06- Circuito transferidor de carga . Como se pode observar na Figura 06 , atua em conjunto com o circuito integrado, um circuito composto basicamente por transistores atuando como chaves, ligando o controle remoto quando o usuário aciona a célulacapacitiva e desligando-o após um determinado 32 intervalo de tempo que deverá ser programado através do microcontrolador e começará a ser contado a partir do momento em que o usuário tira o controle da mão. No caso particular desse controle, uma das células capacitivas foi convertida em duas peças metálicas que acionarão o circuito transferidor de carga toda vez que o usuário manusear o controle com a mão (a Figura 07 mostra um dos lados dessa peça metálica). Esse circuito é denominado de wake up. FIGURA 07- Peça metálicas para acionamento do circuito transferidor de carga. 4.3 Sensor de toque capacitivo Segundo Mark Lee, Engenheiro de Aplicação Sênior da Cypress Semiconductor Corp, os sensores capacitivos baseiam-se no conjunto de condutores que interagem com os campos elétricos. O tecido do corpo humano é cheio de eletrólitos condutores cobertos por uma camada de pele, um dielétrico com perdas. É a propriedade de condução dos dedos que torna possível que detecção do toque capacitivo. De acordo com a Microship , para se ter um sistema de toque capacitivo é preciso obter a interação do usuário com a tecla. O sistema capacitivo possui um capacitor, quel ajusta a sensibilidade do toque, um pad de cobre que é colocado na superfície da placa de circuito impresso que está acoplado capacitivamente a outros pontos do sistema. Além disso, há um material na cobertura da placa como o vidro, que é utilizado para fornecer uma 33 superfície de contato com o usuário. O bloco gera uma capacitância parasita de terra como referência, no qual quando o usuário toca em alguma tecla capacitiva gera uma capacitância parasita no terra. Na Figura 08 pode-se observar o princípio de funcionamento do sensor de toque capacitivo descrito anteriormente. FIGURA 08- Sensor de toque capacitivo. 4.3.1 QT1081 O Circuito Integrado QT1081 é conhecido pela simplicidade, confiabilidade, facilidade de design. Utiliza um capacitor de referência único ligado a dois pinos do chip para cada sensor chave, um sinal de rastreamento leva a um dos pinos para o sensor, que é feito de um eletrodo, que atua como chave. Através da Figura 09 pode-se observar o diagrama desse componente. 34 FIGURA 09- Diagrama do QT1081 Fonte :Datasheet Quantum, p. 6 Através do esquema mostrado anteriormente, pode-se observar que o QT1081 possui oito entradas, KEY0....KEY7, que são os botões capacitivos do controle e oito saídas respectivamente. Cada uma das entradas é ativada quando um toque é confirmado no eletrodo correspondente. Existem dois modos distintos de configurar a saída, podendo-se usar oito pinos para a detecção de cada uma das oito teclas ou restringir a detecção a quatro pinos, utilizando a codificação binária. 35 Para que o dispositivo comece a funcionar normalmente é necessário que o mesmo, após um evento de reinicialização (reset), calibre-se num tempo de 300ms, sendo que suas chaves só irão funcionar corretamente uma vez que todas as chaves tenham sido calibradas. Em cada chave há um resistor conectado, que pode ser configurado de dois modos: • Modo Full: Todos os oitos resistores, conforme foram mostrados na Figura 09, possuem obrigatoriamente o valor de 1MΩ. • Modo Simplificado: Nesse modo, o resistor de 1MΩ deve ser ligado a partir de SNS6K para SNS7. Na modalidade simplificada, apenas um resistor 1MΩ é necessário. Pode-se perceber que a presença e a conexão de resistores, nesse tipo de opção, afeta os valores exigidos do capacitor, este efeito será especialmente perceptível se os valores dos capacitores forem da ordem de 22nF.. Os capacitores determinam a sensibilidade dos eletrodos-chave. Os maiores valores de capacitância tornam o canal mais sensível de detecção correspondente. Os valores do capacitor podem variar para cada canal, permitindo diferenças na sensibilidade. O intervalo típico esta entre 1 nF e 50 nF em função da sensibilidade necessária. Valores maiores valores do capacitor exigem melhor qualidade para garantir uma detecção confiável. Na Figura 10 pode-se observar o controle remoto contendo as oito chaves capacitivas. FIGURA 10- Oito chaves capacitivas. 36 4.4 Microcontrolador do controle remoto O microcontrolador utilizado no controle remoto foi o ATtinny 2313 por solicitação do cliente, que se responsabilizou pelo desenvolvimento do firmware, pois já possuía alguma experiência com a plataforma de desenvolvimento da Atmel. As características gerais do microcontrolador, segundo o seu datasheet, são: • 32 registradores de 8 bits de uso geral. • Tensão de operação de 2,7 a 5,5V. • Até 20 MIPS em 20 MHz de clock. • 2K Bytes de Flash In-System Self Programmable ( 10.000 Ciclos de Write/Erase ). • 128 Bytes de In-System Programmable EEPROM ( 10.000 Ciclos de Write/Erase ). • 128 Bytes de SRAM interna. Os principais periféricos oferecidos, segundo o seu datasheet, são: • Um Timer/Counter de 8-bit com Prescaler. • Um Timer/Counter 16-bit com Prescaler. • Quatro canais de PWM. • Um comparador nalógico. • Timer Watchdog Programável com oscilador no próprio chip. • USI – Universal Serial Interface. • Interrupções internas e externas. • Circuito de Power-on Reset. • Oscilador interno calibrável. • PDIP de 20 pinos , SOIC de 20 pinos , QFN/MLF de 20 pads (utilizado no sistema). • 8 pinos de I/O programáveis. 37 Estabelecidas as características principais do componente, pode-se observar a seguir a explicação do desenvolvimento do hardware e do firmware do microcontrolador utilizado no controle remoto. 4.4.1 Hardware do microcontrolador do controle O hardware trata da parte física do projeto, ou seja, do conjunto de componentes eletrônicos que é montado sobre a PCI. Na Figura 11, pode-se observar o diagrama de blocos no hardware usado no microcontrolador. FIGURA 11- Hardware do microcontrolador do controle. Porta D Key0 Out7 Key1 Out6 Key2 Out5 Key3 Teclado Out4 Key4 Capacitivo Out3 Key5 Out2 Key6 Out1 Porta B Controlador ATtiny 2313 I S P Circuito de Wake Up Carregamento de Firmware Sinalização de transmissão Clock Transmissão TX Modulação PWM Leds de Backlight Eletrodos Sinalização para as teclas de função Porta D Key0 Out7 Key1 Out6 Key2 Out5 Key3 Teclado Out4 Key4 Capacitivo Key 5 Out3 Key6 Out2 Key7 Out1 Porta B Controlador ATtiny 2313 I S P Circuito de Wake Up Carregamento de Firmware Sinalização de transmissão Clock Transmissão TX Modulação PWM Leds de Backlight Eletrodos Sinalização para as teclas de função 3V 38 O diagrama da figura 11, mostra em detalhes a arquitetura do hardware do controle remoto. Pode-se ter uma ideia detalhada de como o controlador se comunica com os dispositivos ao redor e quais portas estão sendo utilizadas em cada uma das conexões. Um item interessante a ser considerado nessa placa foi a inserção de pontos de testes para auxiliar na gravação. Tais pontos são: • VCC- alimentação do microcontrolador em +5V • GND- terra ou neutro do componente. • SCK- Modo de interface serial universal para clock. • MISO- Saída serial do microcontrolador. • MOSI- Entrada serial do microcontrolador. • RESET- Apagar operações. Na Figura12, observam-se os pontos de gravação na placa do controle. FIGURA 12- Pontos de gravação do controleremoto . 39 Além disso, para que fosse possível gravar o controlador através desses pontos de testes , foi necessário desenvolver um dispositivo chamado “cama de pregos” (Bed of Nails). Ele é composto por seis agulhas banhadas a ouro, um cabo de alimentação e uma interface ISP. A interface ISP é um tipo de comunicação usada principalmente para transferência de informação entre circuitos integrados em equipamentos eletrônicos, minimizando, assim, o número de condutores, pinos e o tamanho do circuito integrado. Com isso, para realizar a gravação é necessário encaixar a placa sobre a cama de pregos, de modo que os pontos de teste coincidam sobre as agulhas, estabelecendo uma conexão elétrica. A Figura 13 ilustra todo esse dispositivo citado anteriormente. FIGURA 13- Dispositivo para gravação do microcontrolador do controle remoto. 4.4.2 Firmware do microcontrolador do controle remoto Firmware é um conjunto de instruções operacionais programadas diretamente no hardware de um equipamento eletrônico. É o firmware que contém as informações de inicialização que permitirão o correto funcionamento de um equipamento. 40 Na Figura 14 pode-se observar o fluxograma do firmware do controle remoto. FIGURA 14- Estrutura do firmware do microcontrolador do controle remoto. Conforme mostrado na Figura 14, pode-se observar que são várias as etapas que compõem o firmware do controle remoto. Primeiramente, para o desenvolvimento desse trabalho, foi criado um protocolo proprietário denominado ONEON Home. Um protocolo é um método standard que permite a comunicação entre processos (que se executam Protocolo ONEON Home Inicializa controladores de hardware Inicializa o protocolo ONEON Home Inicializa a aplicação Verifica o manuseio Verifica o teclado Transmite a mensagem de comando Pisca o led de resposta Seleciona a função Acende o led da função selecionada Dorme por 500ms Manuseio Ação Função Ocioso por 50ms Não por Sim por Sim por Não Não Sim 41 eventualmente em diferentes máquinas), isto é, um conjunto de regras e procedimentos a respeitar para emitir e receber dados . Na Figura 15 pode-se observar a estrutura do protocolo utilizado no projeto. FIGURA 15- Protocolo ONEON Home do controle remoto. Estabelecidos os parâmetros desse protocolo, torna-se necessário definir quais são as teclas necessárias para o sistema. As teclas estabelecidas como as de ações são: • Liga - Aciona o dispositivo controlado pelo sistema. • Desliga - Desliga o dispositivo controlado pelo sistema. • Mais (+) – Aumenta a rotação do ventilador ou a intensidade luminosa das lâmpadas. • Menos(-) – Diminui a rotação do ventilador ou a intensidade luminosa das lâmpadas. E as teclas estabelecidas como as de função são responsáveis pela seleção do modo de operação do sistema. Essas teclas são: • Luz • Ventilador • Equipamentos eletrônicos • E todos. A Figura 16 ilustra todas as teclas de ações e funções do controle remoto. Sincronismo Ação Função Senha do usuário 42 FIGURA 16- Teclas de ações e funções do controle remoto. Os símbolos da figura 16 não estão de acordo com a ISO 7000, pois o cliente utilizou outras imagens de identificação. Quando manuseado pelo usuário, o controlador é alimentado pelo circuito de wake up e os leds de backlight são acionados conforme mostra a Figura 17. 43 FIGURA 17- Led backlight. Assim, quando alguma tecla de função for acionada, um sinal é enviado ao controlador e o led que indica a função escolhida acenderá na tecla mostrando que a função foi selecionada, como mostra a Figura 18. 44 FIGURA 18- Sinalização de função. Além disso, quando uma ação é selecionada há uma sinalização de transmissão conforme indicada pela Figura 19. 45 FIGURA 19- Sinalização de transmissão. 4.5 Modulador PWM e circuito de transmissão A modulação por largura de pulso, mais conhecida pela sigla em inglês PWM (Pulse-Width Modulation) , de um sinal ou em fonte de alimentação envolve a modulação de sua razão cíclica para transportar qualquer informação sobre um canal de comunicação ou controlar o valor da tensão de alimentação entregue a carga. Na Figura 20 pode-se observar o circuito utilizado no controle. 46 FIGURA 20- Modulador PWM. Conforme pode-se observar na Figura 20, o circuito é composto por: • Porta do tipo NOR • Transistor • Resistores de polarização • Led infravermelho. Nessa etapa do projeto foi necessário definir qual seria o tipo de sensor utilizado no circuito receptor infravermelho do módulo acionador. O sensor escolhido foi o Tsop 348 por ter um preço mais acessível, atendendo aos requisitos e tendo demodulação integrada. Assim, definido o sensor e observando o valor de frequência, através do seu datasheet, conforme mostra a Tabela 01, definiu-se trabalhar com uma frequência de 38 kHz. 47 TABELA 01 – Frequência utilizada pelo sensor Componente Frequência Tsop 34830 30 kHz Tsop 34833 33 kHz Tsop 34836 36 kHz Tsop 34837 36,7 kHz Tsop 34838 38 kHz Tsop 34840 40 kHz Tsop 34856 56 kHz A grande vantagem desse método é a alta velocidade de conversão que é praticamente simultânea às variações do sinal de entrada. 48 5 MÓDULO ACIONADOR O módulo acionador é composto por: • fonte fast; • circuito de sincronismo; • microcontrolador; • circuito de potência. O módulo acionador possui dimensões que possibilitem sua instalação na caixa de passagem do dispositivo a ser controlado (luminária, ventilador, ar condicionado ou tomada). Os interruptores convencionais devem ser substituídos por pulsadores, conectados aos módulos acionadores via cabo tipo telefônico. Deste modo, os fios fase e neutro podem vir diretamente da caixa de distribuição, dispensando a passagem de fase, retorno e ligações paralelas entre os interruptores e os dispositivos controlados. A Figura 21 mostra o diagrama em blocos do módulo acionador. FIGURA 21- Diagrama do módulo acionador. 5.1 Fontes de alimentação Para Bogart (2001), o termo fonte de alimentação em geral se refere a uma fonte em corrente contínia de potência, normalmente acionada a partir de uma alimentação em corrente alternada. 49 Uma fonte cc de potência, acionada a partir de uma alimentação ca, pode ser considerada um conservor ca/cc. Uma fonte que produz alimentação ca com frequência constante e amplitude constante, a partir de uma fonte cc, é chamada de inversor. Algumas fontes são projetadas para funcionar a partir de fontes cc e produzir um valor de potência diferente com um nível cc diferente, estas fontes são chamadas de conversor cc/cc (BOGART, 2001, p. 257) De acordo com esse mesmo autor, uma fonte de alimentação cc funcionando com base em uma fonte ca, apresenta um ou mais dos componentes fundamentais: • Regulador de tensão – mantém tensão de saída praticamente constante. • Filtro- filtro do tipo passa-baixas que retira as pulsações na forma de onda retificada. • Retificador – converte tensão ca em tensão cc pulsante, permitindo que a corrente na carga tenha apenas um sentido. É importante observar que a complexidade de um projeto de fonte de alimentação, assim como os componentes utilizados, dependem exclusivamente da aplicação para a qual a fonte será projetada. As fontes de alimentação podem ser classificadas como reguladas ou desreguladas e ajustáveis ou fixas. Na Figura 22 pode-se observar uma fonte em ponte de diodos, na qual faz a retificação em onda completa sem a necessidade de duplo secundário no transformador. FIGURA 22- Retificação em ponte dediodos Fonte : SOARES, 2008, 50 Em contrapartida, a Figura 23 mostra uma fonte utilizando conversor buck FIGURA 23 – Conversor buck. Fonte : SOARES, 2008. Segundo Soares (2008), a base do transistor Q é polarizada por um circuito PWM, de forma que ele só conduz nos intervalos de nível alto dos pulso, no restante do ciclo, ele está em corte. Iniciada a condução, a corrente Iq aumenta com o tempo, devido à presença do indutor, sendo que quando o transistor entra em corte, uma tensão de polaridade oposta aparece no indutor, devido à força contra-eletromotriz. O fluxo da corrente passa agora pelo diodo e é decrescente, resultando em correntes e tensão na carga, conforme o gráfico da Figura 23. Assim, com base em um exemplo apresentado anteriormente de fonte linear e fonte chaveada, pode-se observar na Tabela 02 as principais características comparativas desses dois modelos de fontes . TABELA 02 – Comparação de parâmetros médios de fontes lineares e chaveadas Fonte : SOARES, 2008. 51 Para Soares (2008), as definições dos parâmetros da Tabela 02 são: • Regulação de linha: é a variação da tensão de saída devido a uma variação da tensão de entrada. • Regulação de carga: é a relação percentual entre a variação da tensão de saída e a tensão nominal de saída, quando a corrente da saída varia de zero até o valor nominal. • Eficiência energética: relação percentual entre a potência de saída e a potência de entrada. • Resposta a transientes: o tempo necessário para a tensão de saída retornar à faixa de regulação após uma variação brusca de 50% na carga. • Tempo de sustentação: intervalo de tempo, após perda da tensão de entrada, em que a tensão e corrente da saída se mantêm dentro dos limites especificados. 5.1.1 Fonte de alimentação sem transformador Nos circuitos de fonte de alimentação comum de baixa tensão CC, é usado um transformador para baixar a tensão da rede. Essa tensão é depois retificada, filtrada e eventualmente regulada para poder ser usada pelos circuitos que devem ser alimentados. Em uma fonte sem transformador, o que se faz é aboli-lo e fazer um divisor de tensão que baixa a tensão da rede aproveitando a reatância capacitiva do capacitor C1, conforme se pode observar na Figura 24, que mostra todo o circuito utilizado . 52 FIGURA 24- Fonte alimentação sem transformador. A vantagem na utilização de um capacitor está no fato de que ele faz isso com um mínimo de dissipação de energia em forma de calor, o que não acontece com um resistor. Assim, é possível reduzir a tensão da rede de energia para valores mais apropriados para o trabalho de uma fonte, sem usar transformador, com a ajuda de um capacitor apropriado. Um valor apropriado de C1 permite obter a tensão desejada sobre a carga, ou ainda para um circuito retificador e um regulador de tensão. De fato, os capacitores usados devem ser do tipo despolarizado (poliéster) com tensões de trabalho que sejam pelo menos uma vez e meio o pico da tensão de entrada. Isso significa capacitores com tensões de pelo menos 200 V para a rede de 110/120 V e pelo menos 400 V para a rede de 220/240 V. O resistor ligado em paralelo com o capacitor de C1 tem por finalidade provocar sua rápida descarga, quando a fonte é desconectada. Isso é importante para se evitar um choque acidental deste componente no caso de um trabalho de manutenção, ou diagnóstico de problemas da fonte. Uma vez que a tensão tenha sido baixada pela rede de entrada em que o componente principal é o capacitor, é necessário fazer uma retificação de limitação inicial de tensão,isto é, a transformação da corrente alternada em contínua, feita por onda completa, na qual são utilizados quatro diodos comuns. Tendo em vista que esta fonte alimenta um microcontrolador, o diodo zener serve como regulador de tensão fornecendo uma tensão de referência constante. Se a tensão da rede variar, a saída da fonte também varia, independente do filtro usado, pois os diodos polarizados diretamente não têm resistência elétrica nula e, portanto, a 53 tensão da fonte sempre muda com a variação da corrente da carga. Uma das primeiras técnicas usadas para a estabilização da fonte é utilizar um componente ativo, o transistor. O fusível de entrada é importante para proteger o circuito, já que se o capacitor entrar em curto,é preciso que a alimentação seja desligada imediatamente. Esse modelo de fonte se fez necessário, pois a aplicação não suportaria o espaço e o custo demandado por uma fonte com transformador. 5.2 Circuito de sincronismo Um circuito de sincronismo tem por base fornecer um sinal de referência comum a diversos circuitos ou equipamentos de uma rede. A Figura 25 mostra o circuito utilizado no projeto. FIGURA 25- Circuito de sincronismo com a rede. Como se pode observar na Figura 25, o circuito de sincronismo capta uma amostra de sinal da rede, o qual servirá como referência do microcontrolador para que os sinais de acionamento sejam enviados ao circuito de potência no tempo correto. 54 5.3 Circuito de potência O circuito de potência utilizado no módulo acionador é composto basicamente por dois circuitos: • Optoacoplador. • Triac. 5.3.1 Optoacoplador Segundo Bogart (2001), um acoplador ótico é a combinação de um dispositivo emissor de luz com um dispositivo sensível a luz, em um só encapsulamente. O autor afirma que o exemplo mais simples é um led encapsulado com um fototransistor, sendo que o led é alimentado por um circuito de entrada, e o fototranssitor, respondendo a luz emitida, aciona um circuito de saída. Portando os circuito de entrada e saída são acoplados somente pela energia luminosa. De acordo com Bogart (2001), a principal vantagem desse arranjo é o excelente isolamento elétrico que pode proporcionar entre a entrada e a saída. Na Figura 26 pode-se observar a estrutura de um optoacoplador, onde há um diodo emissor de luz nos pinos 2 e 3 e do fototriac entre pinos 4 e 6. FIGURA 26- Símbolo do optoacoplador. Fonte: BOGART, 2001, p.353. 55 O optoacoplador utilizado para o dispositivo do módulo foi o MOC3052, que possui algumas características gerais extraídas do seu datasheet, como: • Emissor: o Tensão reversa: 3 V. o Potência de dissipação: 100 mW. o Corrente de polarização: 60 mA. • Detector: o Tensão nos terminais em estado desligado: 600 V. o Potência de dissipação: 300 mW. A Figura 27 mostra a estrutura utilizada no módulo acionador. FIGURA 27- Optoacoplador utilizado no módulo acionador. O sinal de acionamento e a resistência R1 em série estabelecem uma corrente no led emissor, proporcionando um nível de luz que será incidido sobre o fototriac. Essa luz fará com que o fototriac conduza, emitindo um sinal de disparo no gate do triac, acionando a carga. 56 Se a tensão de entrada variar, a quantidade de luz também muda, o que significa que a tensão de saída muda de acordo com a tensão de referência adotada. 5.3.2 Triac O triac é um componente formado basicamente por dois SCRs internos ligados em anti paralelo. Ele possui três terminais: A1 (anodo 1), A2 (anodo 2) e gate (G). A Figura 28 mostra o símbolo do triac. FIGURA 28- Símbolo do triac Fonte: BOGART, 2001. A Figura 29, mostra o circuito equivalente a um triac. FIGURA 29 – Circuito equivalente ao triac.. Fonte: BOGART, 2001. A1 G A2 57 De acordo com a Figura 29, o autor afirma que: A porta é conectada a base de Q2 e a base de Q3, ambos transistores NPN, sendo que um pulso de corrente circulando no gatilho fará com que uma corrente circule por Q1 e Q2 se A1 for mais positivo que A2, ou por Q3 e Q4, se A2 for mais positivo que A1. Além disso, o gatilho deve ser positivo
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