Descrição de projeto de automação residencial usando Arduino

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Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia de Computação e
Automação
Bacharelado em Engenharia de Computação
PROJETO DE AUTOMAÇÃO
RESIDENCIAL
Emerson Daniel de Souza Siqueira
João Ricardo Tavares Gadelha
Samira Alves Nascimento Moreira
Natal-RN
Dezembro de 2016
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 ASPECTOS TEÓRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Benefícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Benefícios para usuários . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1 SISTEMA PROPOSTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1.1 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1.2 Relay Shield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1.3 Ethernet Shield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 DESCRIÇÃO DO SISTEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.3 IMPLEMENTAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.4 CUSTOS DO PROJETO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
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1 Introdução
Uma grande quantidade de equipamentos, desde os mais simples aos mais sofistica-
dos, podem ser instalados em lares residenciais, controlando operações do dia-a-dia, que
passam a ser automatizadas. Entretanto, no que diz respeito à automação residencial, a
modernidade dos aparelhos e eletrodomésticos que se tem comumente deixa a desejar por
falta de integração e até mesmo de centralização de controles e tarefas, tornando, às vezes,
seu uso mais complicado para o usuário final [1].
Quando se fala em automação residencial, está se referindo a todo e qualquer circuito
eletrônico que pode fazer sozinho algum tipo de operação que antes exigia a intervenção
humana, como: acender uma luz ao escurecer; controlar a temperatura de um ambiente;
travar portas; entre outros.
Uma definição que pode ser aplicada à Automação Residencial é de um sistema inteli-
gente que integra iluminação, entretenimento, segurança, telecomunicações, aquecimento,
ar condicionado e outros. Tudo isso controlado através de um sistema programável [2].
Este sistema melhora o estilo de vida dos moradores e torna uma casa mais confortá-
vel, segura e eficiente.
O objetivo principal deste trabalho consiste no desenvolvimento do sistema baseado
em Arduino Uno juntamente com Ethernet Shield. O sistema será desenvolvido em uma
IDE (Ambiente de Desenvolvimento Integrado) própria do Arduino utilizando a lingua-
gem nativa do Arduino. O sistema Web será responsável por receber as solicitações dos
usuários e encaminhar para o Arduino Uno, que irá processar e acionar os atuadores de
acordo com as necessidades dos usuários.
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2 Aspectos teóricos
2.1 Automação Residencial
Também conhecida como domótica, a automação residencial consiste na capacidade
dos equipamentos que compõem uma residência como, por exemplo, os equipamentos de
iluminação, funcionarem de maneira que siga instruções pré- estabelecidas por um sistema
de controle integrado. Casas e apartamentos modernos apresentam cada vez mais a auto-
mação residencial, seja através da integração entre áudio e vídeo, medidas de segurança
ou opções que prezam pelo conforto, por exemplo: sensores colocados na porta, conferindo
horários de saída e chegada de pessoas à residência, integração do computador à irrigação
do jardim, travamento das portas da casa com o apertar de um único botão (ANDRADE,
2013). A Figura 2.1 ilustra algumas possibilidades para a automação residencial, como
sensores de gás e temperatura, som ambiente e iluminação.
Figura 2.1: Automação residencial.
2.1. AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL
2.1.1 Benefícios
O significado de automação residencial está relacionado à instalação de tecnologia em
residências, com o objetivo de melhorar a qualidade de vida, aumentar não só a segurança,
mais também gerenciar melhor o tempo, viabilizar o uso racional dos recursos proporcio-
nando assim comodidade para seus habitantes (ANDRADE, 2013).
Uma residência típica possui aparelhos eletro/eletrônicos que controlam iluminação,
segurança, refrigeração, etc. Na grande maioria das residências estes aparelhos funcionam
de forma independente e cada um com o seu controle individual. Essas quantidades de
controles individuais, ao serem manuseados, podem criar uma certa confusão na hora de
utilizá-los deixando seu uso não atrativo e perdendo, com isso, a potencialidade de utili-
zação dos mesmos.
Pretende-se com este projeto construir um Sistema de Automação Residencial, ou
seja, integrar aparelhos individuais e fazer a comunicação com o Sistema de Automação
cuidando de tarefas repetitivas.
Por exemplo, ao sair de casa, o sistema de segurança e economia de energia poderá ser
programado usando apenas um comando, e como resultado, o sistema de automação des-
ligará lâmpadas desnecessárias, colocará o termostato do(s) ar(es) condicionado(s)em um
valor que diminua o consumo de energia elétrica ou mesmo desliga-los e inicializará uma
seqüência programada de ascender e apagar luzes, simulando a presença de pessoas dentro
da residência, tudo controlado pelo sistema de automação. Do mesmo modo, quando os
moradores retornarem, o sistema de automação poderá recebê-los ascendendo lâmpadas
apropriadas, ajustando a temperatura do ar condicionado, entre outros.
A grande vantagem da automação residencial está na programação que poderá se
adaptar as vontades e necessidades do usuário, obtendo assim um maior ou menor grau
de automação residencial.
É neste sentido que se deseja estimular o desenvolvimento destas idéias e propagá-las
entre os profissionais. Para que nós mesmos, desde o início, preparados para absorver a
demanda deste emergente mercado e participem ativamente do seu crescimento.
2.1.2 Benefícios para usuários
Alguns dos benefícios, que podem imediatamente ser adquiridos pelo proprietário são
os seguintes: ? Segurança: Foi construído um Sistema de Segurança utilizando-se de sen-
sores que identificam o estado de portas e janelas em determinado instante e também
manipula lâmpadas, dando aparência de casa ocupada enquanto o proprietário estiver
2.1. AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL
ausente (simulador de presença); ? Economia de energia: A energia é usada apenas onde
e quando é necessária; ? Conveniência: As luzes podem ser ligadas ou apagadas por toda
a residência a partir de um único comando, a temperatura dentro da residência pode
ser ajustada; o proprietário pode controlar o estado de toda as portas bem como luzes
interiores e exteriores das residências; ? Valorização do Imóvel: Apelo maior de compra-
dores assegurando satisfação do cliente e facilitação no ciclo de vendas ou alugueis destas,
agregando valor no preço do imóvel
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3 Metodologia
Para o desenvolvimento de um sistema de automação residencial, vários fatores devem
ser levados em conta como infraestrutura necessária, definição dos serviços e componentes
que serão automatizados (necessidades do cliente), viabilidade de instalação, normas téc-
nicas entre outras que irão assegurar a qualidade, longevidade, desempenho e segurança
do sistema.
O sistema proposto neste trabalho consiste de um microcontrolador Arduino com Shi-eld Ethernet que será responsável pela comunicação do sistema via página HTML.
A automação consistira do controle de iluminação e de ventilação.
3.1 Sistema proposto
A solução proposta de automação residencial neste projeto será composta por um
conjunto de componentes de hardware e software que interagem por meio da web utili-
zando microcontrolador Arduino acoplado ao Ethernet Shield. O sistema será integrado
via Web, onde todos os comandos irão partir de uma página na internet. O usuário do
sistema é resposável por fazer o controle dos componentes, como alteração na iluminação
e na ventilação. O Ethernet Shield será responsável pela comunicação do usuário com o
sistema via internet, enquanto o Arduino Uno irá centralizar todas as regras do sistema
e processar todos os comandos conforme os acionamentos.
3.1.1 Arduino
Arduino é um microcontrolador de placa única projetado para tornar o processo de
uso de eletrônicos em vários projetos acadêmicos, tecnológicos, científicos e artísticos mais
acessível. Foi criado na Itália em 2005 com o objetivo de oferecer uma plataforma de
prototipagem eletrônica de baixo custo e de fácil manuseio por qualquer pessoa interessada
em criar projetos com objetos e ambientes interativos (CRUZ; VIANA, 2016).
O Arduino é uma placa de microcontrolador baseado no ATmega328 (datasheet). Ele
tem 14 pinos de entrada/saída digital (dos quais 6 podem ser usados como saídas PWM),
6 entradas analógicas, um cristal oscilador de 16MHz, uma conexão USB, uma entrada de
3.1. SISTEMA PROPOSTO
alimentação uma conexão ICSP e um botão de reset. Ele contém todos os componentes
necessários para suportar o microcontrolador.
Figura 3.1: Arduino.
3.1.2 Relay Shield
O ReleShield é um shield com dois relés para acionamento de cargas com correntes
maiores que o Arduino pode fornecer e também isolação entre o Arduino e a carga. Isto
é, permite que o Arduino acione, por exemplo, uma lâmpada de 110V ou até mesmo um
equipamento doméstico (aparelho de som, ventilador, etc).
Figura 3.2: Relé shield.
3.2. DESCRIÇÃO DO SISTEMA
3.1.3 Ethernet Shield
O Arduino Ethernet Shield permite que um Arduino seja conectado à internet. Ele é
baseado no chip Wiznet W5100 que fornece uma biblioteca de rede (IP) que suporta tanto
TCP como UDP. A biblioteca Ethernet serve para escrever programas que se conectem
a internet através deste shield. Este shield se conecta ao arduino por barras de pinos
empilháveis, mantendo o layout e permitindo que outro shield se encaixe por cima. Há
também um slot para cartões micro-SD que pode ser utilizado para armazenar arquivos
que estejam disponíveis na rede. É compatível com o Arduino Duemilanove e com o Mega.
O Arduino comunica tanto com o W5100 e o cartão SD utilizando o barramento SPI
(através do cabeçalho ICSP). O compartilhamento de W5100 e SD card do barramento
SPI não são de uso simultâneo().
Figura 3.3: Ethernet shield.
3.2 Descrição do sistema
O sistema de automação desenvolvido ficará instalado no microcontrolador Arduino
Uno junto com o Ethernet Shield. O Arduino irá fazer o papel de servidor da aplicação,
contendo toda a implementação da parte lógica de controle. Já o Ethernet Shield será
responsável pela comunicação da interface WEB com o sistema de automação. O Ethernet
Shield possibilita criar um servidor WEB acoplado ao Arduino para que aplicação seja
3.3. IMPLEMENTAÇÃO
acessada via página em HTML. A montagem do sistema é baseada em duas configurações:
• A primeira configuração corresponde ao funcionamento do cooler. Este pode ser
ativado pela internet através do Ethernet Shield, o qual funciona como um servidor
de internet. O servidor disponibiliza uma página HTML com botões para ligar ou
desligar o dispositivo.
• A segunda configuração é referente ao acendimento de uma lâmpada incandescente,
a qual tem sua energia chaveada através do uso do Shield Relé. O controle é feito
de tal forma que a lâmpada é acionada por 1 minuto, e então permanece desligada
por outro minuto, e assim repetidamente.
3.3 Implementação
Toda a implementação em código da lógica de controle do sistema foi desenvolvida na
linguagem de programação nativa do Arduino. Nesta seção são considerados detalhes da
implementação do sistema de comunicação com o controlador via internet. Inicialmente,
as bibliotecas SPI e Ethernet são carregadas.
3.3. IMPLEMENTAÇÃO
Em seguida, os dados de endereço IP, gateway e máscara de sub-rede são definidas:
Na fase de setup do sistema, o pino trabalhado é setado em 1, e o servidor é inicializado.
Espera-se então até o momento em que um cliente seja detectado pelo servidor.
É realizada então uma leitura de um caractere de entrada. Dependendo do valor deste
caractere, o pino de saída será ativado ou desativado.
3.4. CUSTOS DO PROJETO
3.4 Custos do projeto
Tabela 3.1: Custos do projeto.
Equipamento Valor
Arduino 49 reais
Lâmpada 5 reais
Jumper 6 reais
Relay Shield 35 reais
Ethernet Shield 59 reais
Total 154 reais
O custo total de R$ 154,00 é bastante baixo em relação aos valores praticados no mer-
cado. Isso é um fato comum em projetos de automação residencial baseados em Arduino.
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4 Resultados e Discussão
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5 Conclusão
Este trabalho buscou apresentar o desenvolvimento de um sistema web de baixo custo,
que automatize os processos residenciais, com utilização dos microcontroladores Arduino
Uno e Ethernet Shield.
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Referências
ANDRADE, A. V. T. PRINCIPAIS DESAFIOS NA AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL:
PROTOTIPAÇÃO COM ARDUINO. Dissertação (Mestrado) � UNIVERSIDADE
CANDIDO MENDES, 2013.
CRUZ, H. A. O. A. D.; VIANA, K. D. G. PROJETO DE AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL
UTILIZANDO SOFTWARES E HARDWARES LIVRES. Dissertação (Mestrado) �
Instituto Federal do Rio Grande do Norte, 2016.