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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL IMPLANTAÇÃO E NOVOS CONCEITOS EM ACIONAMENTOS, ECONOMIA E SEGURANÇA. EDSON RICARDO DA SILVA BASTOS JACK DOUGLAS DE CARVALHO BARBOSA JOSÉ RICARDO MACHADO DE BRITO MARCIO BATISTA DE SOUZA WAGNER DOS SANTOS RIBEIRO RIO DE JANEIRO 2016 AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL IMPLANTAÇÃO E NOVOS CONCEITOS EM ACIONAMENTOS, ECONOMIA E SEGURANÇA. EDSON RICARDO DA SILVA BASTOS JACK DOUGLAS DE CARVALHO BARBOSA JOSÉ RICARDO MACHADO DE BRITO MARCIO BATISTA DE SOUZA WAGNER DOS SANTOS RIBEIRO Projeto Integrador de Competências Equivalente a Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado à Universidade Estácio de Sá, como requisito para a Obtenção do grau de Tecnólogo em Automação Industrial, sob orientação do Professor Mestre Ivan da Cunha Santos. RIO DE JANEIRO 2016 BASTOS, Edson Ricardo da Silva; BARBOSA, Jack Douglas de Carvalho; BRITO, José Ricardo Machado de; SOUZA, Marcio Batista de; RIBEIRO, Wagner dos Santos. Automação Industrial: Implantação e novos conceitos em acionamentos, economia e segurança. Orientador: Professor Mestre Ivan Cunha. Rio de janeiro: UNESA/ Universidade Estácio de Sá, 2016. Monografia para Graduação em Tecnologia em Automação Industrial. BANCA EXAMINADORA Professor Mestre Ivan da Cunha Santos – UNESA Aprovada em: ____/_____/2016 “Não importa quanto a vida possa ser ruim, sempre existe algo que você pode fazer e triunfar. Enquanto há vida, há esperança.” Stephen Hawking DEDICATÓRIA Aos nossos familiares, cônjuges e amigos, que não nos deixaram desanimar e que contribuíram com sua credibilidade, apoio e compreensão. AGRADECIMENTOS Agradecemos a Deus pelo dom da vida e por nos permitir ter toda saúde física e mental para a realização deste trabalho, aos nossos pais por terem nos educado, nos mostrando o caminho a qual percorrer para chegar até aqui e por todo apoio e compreensão das vezes em que ficamos ausentes; Aos nossos cônjuges por todo apoio, carinho, credibilidade e dedicação. Gostaríamos de agradecer também todo o corpo de docentes, pelo conhecimento transmitido e pela dedicação em esclarecer nossas dúvidas e por vezes apontar-nos o melhor caminho para alcançar os nossos objetivos; Em especial ao professor Ivan Cunha dos Santos, por nos orientar e doar a sua atenção para que obtivéssemos sucesso na conclusão deste. RESUMO A automação residencial é ainda um assunto pouco falado, embora sua fase atual seja de plena expansão tecnológica. Verifica-se ainda hoje que isto se deve á falsa impressão de que a automação propriamente dita, é algo extremamente caro e inalcançável para se trazer aos lares, e acredita-se também, que é considerado sinônimo de status e sofisticação, passando para a população menos ligada á tecnologia e seus avanços, a equivocada sensação de futilidade. A obra apresentada destina – se a melhor divulgar a automação residencial, trazendo um ponto de vista econômico, seguro e criativo. Pois aborda sobre projetos alternativos como soluções de baixo custo, utilizando – se de novas tecnologias, como microcontroladores, módulos de comunicação sem fio, entre outros dispositivos que quando bem aplicados, podem agregar ao lar, praticidade, segurança, conforto e economia. Palavras-chave: Automação Residencial; Baixo custo; Economia; Microcontroladores; Projetos; Segurança. ABSTRACT Residential automation is still somewhat talked about, although its current phase of full technological expansion. It is still a false impression that automation itself is extremely expensive and unattainable to bring home, and it is also believed that it is considered synonymous with state and sophistication, passing to a population Less tied to technology and its advances, the mistaken sense of futility. The aim of the work is to better disseminate a residential automation, bringing an economic, safe and creative point of view. Because it addresses alternative projects as low- cost solutions, using new technologies such as microcontrollers, wireless communication modules, among other devices that when properly applied, can add to the home, convenience, safety, comfort and economy. Keywords: Residential Automation; Low cost; Economy; Microcontrollers; Projects; Safety LISTA DE ABREVIATURAS ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas. ANSI: American National Standards Institute (Instituto Nacional Americano de Padões). AURESIDE: Associação Brasileira de Automação Residencial. EIA: Energy Information Administration (Administração da Informação de Energia). IDE : Integrated Development Environment ( Ambiente de Desenvolvimento Integrado). IR: InfraRed (InfraVermelho). NBR: Norma Brasileira Regulamentadora. PIR sensor: Passive InfraRed sensor (Sensor Passivo InfraVermelho). TIA: Telicomunication Industry Association (Associação das Industrias de Telecomunicação). LISTA DE FIGURAS Figura 1. – Placa Arduino UNO..............................................................................19 Figura 2. - Arduino Ethernet Shield encaixado no Arduino Mega 2560. ...............20 Figura 3. – Módulos para Arduino..........................................................................21 Figura 4. – Bluetooth shield...................................................................................32 Figura 5. - Aplicativo utilizado para comunicar o bluetooth shield com um dispositivo android ................................................................................................33 Figura 6. – Circuito exemplo de ligação Bluetooth shield......................................34 Figura 7 – Circuito Arduino – Ethernet Shield – Lâmpadas...................................39 Figura 8. – Sensor de nível em Polipropileno (PP)................................................42 Figura 8.1 – Contatos Normalmente Aberto (NA) e Normalmente Fechado (NF) do sensor...................................................................................................................42 Figura 9. – Instalações dos sensores em um reservatório de água......................43 Figura 10 – Sensor PIR.........................................................................................45 Figura 11 – Circuito de alarme com sensor PIR....................................................46 LISTA DE TABELAS Tabela 1. – Planilha de Custos dos Produtos.......................................................46 SUMÁRIO 1. CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO ...........................................................................15 1.1 Considerações Iniciais .................................................................................15 1.2 Justificativa ..................................................................................................16 1.3 - Objetivo Geral ............................................................................................171.4 - Objetivos específicos .................................................................................17 1.5 - Metodologia ...............................................................................................18 1.6- Limitações do Trabalho ...............................................................................18 1.7 - Motivação ..................................................................................................18 1.8 – Estrutura do Trabalho ...............................................................................19 2. CAPÍTULO II – REFERENCIAL TEÓRICO .......................................................20 2.1 - CONCEITOS ..............................................................................................20 2.1.1 – Automação residencial ........................................................................20 2..1.2 - O que é Arduino..................................................................................21 2.1.3 - Instalações elétricas residenciais ........................................................23 2.2 – Caracterização do sistema ........................................................................25 2.3 – Redes domésticas e protocolos ................................................................26 2.3.1 – Tecnologia Ethernet ............................................................................27 2.3.2 – Tecnologia Wi - Fi ...............................................................................27 2.3.3 - Tecnologia Bluetooth ...........................................................................28 2.3.4 – Tecnologia de comunicação por Infravermelho (IR – do inglês, Infra – Red.). ..............................................................................................................29 3. CAPÍTULO III – DESENVOLVIMENTO DE APLICAÇÕES ...............................31 3.1 – Projetos de Iluminação ..............................................................................33 3.1.1 – Acionamento de lâmpadas via Bluetooth. ...........................................33 3.1.1.1 – Acionamento utilizando Bluetooth shield e aplicativo Android. ........33 3.1.2 – Acionamento via Wi – Fi .....................................................................39 3.2 – Projeto de monitoramento de nível de água em reservatórios. .................42 3.2.1 – Sensor de Nível de água ligado ao Arduino. .......................................43 3.3 – Acionamento via infravermelho. .............................................................46 3.3.1 – Alarme com sensor Infravermelho PIR. ..............................................46 4. CAPÍTULO XV – LEVANTAMENTO DE CUSTOS ............................................50 5. CAPÍTULO V – CONSIDERAÇÕES FINAIS .....................................................55 5.1 – CONCLUSÃO ...........................................................................................55 6. CAPÍTULO VI – REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................57 15 1. CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO 1.1 Considerações Iniciais Automação Residencial, ou ainda, Domótica, - como costuma ser chamada segundo a definição Europeia -, é um assunto vasto e com conceitos já bem difundidos e avançados nos últimos anos. Surgiu com o desenvolvimento tecnológico, nas ultimas décadas, de dispositivos elétricos e eletrônicos que operassem com lógicas no controle de energia e acionamentos de equipamentos em uma residência. Um grande incentivo para o surgimento da automação residencial, foi a criação e desenvolvimento em massa de dispositivos de baixo custo e menos robustos que os utilizados na então já desenvolvida automação industrial. Isso fez com que ao longo do tempo, tecnologia tão poderosa quanto a industrial, fosse também cada vez mais pesquisada, desenvolvida e aprimorada em larga escala para o setor predial e residencial. Além de tudo, a tecnologia foi avançando cada vez mais em descobertas e a busca por dispositivos multifuncionais, inteligentes, que realizassem muitas tarefas complexas em menor tempo, que apresentassem alta capacidade de processamento, mas que também possuíssem facilidade de ser programável e que apresentassem estruturas de simples entendimento humano, se tornou um dos principais requisitos para os fabricantes de todo o mundo disputarem atenção no mercado. Hoje o mercado tecnológico possui uma variedade de controladores, microcontroladores, módulos de acionamento remoto e sensores de baixo custo e boa precisão, com imensas possibilidades de aplicação residencial, como detectar luminosidade, temperatura ambiente, proximidade, presença, pressão, nível de reservatórios e muitas outras variáveis, assim como também possui softwares de controle que requerem um grau mínimo de conhecimento do usuário, com interfaces modernas e intuitivas, de fácil parametrização das variáveis. A ideia é que com toda essa facilidade, variedade e baixo custo de todos os equipamentos, dispositivos e acessórios necessários para se implantar a automação residencial, a cultura de se contratar serviços de implantação, assim como a de busca pela especialização em implantar automação residencial, se torne cada vez mais comum no Brasil, tendo em vista que essa cultura já é forte em outros países mais desenvolvidos. Assim será possível obter para os habitantes de uma residência , praticidade, conforto, economia de tempo, segurança, agilidade nas tarefas e maior rendimento entre outros benefícios. 16 1.2 Justificativa A escolha do tema se dá pelo entusiasmo em divulgar o assunto devido sua baixa popularidade, mesmo tendo um vasto conteúdo disponível nas mídias, tendo em vista a importância que possui e os benefícios que traz para o publico alvo. Sendo de responsabilidade deste trabalho, divulgar, esclarecer melhor e defender o tema, assim como propor soluções para problemas decorrentes da baixa acessibilidade e falta de interesse pela implantação de sistemas automatizados em residências. Com o crescimento cada vez mais acelerado de tecnologias e técnicas de instalações de baixo custo e da produção de material didático de nível simplificado, porém eficaz, a proposta do trabalho é argumentar sobre algumas possibilidades de implantação de sistemas automáticos, de acionamentos de lâmpadas, monitoramento de temperatura ambiente, proteção de tomadas e outros projetos tecnológicos que podem ser adaptados com facilidade e baixo custo. A defesa do trabalho se dá por meio da explanação das vantagens encontradas nos objetivos da automação, partindo desde breve introdução com a explicação dos objetivos industriais, visto que esta se refere à explicar o objetivo da automação surgida para atender as grandes industrias, até a automação residencial, que tem como base a adaptação de sistemas automáticos criados para atender necessidades industriais, para serem aplicados, devido ao perfil e a necessidade do cliente, nas residências. 1.2.1 - Objetivos da Automação Industrial: Universal: Facilitar o trabalho e diminuir o esforço do homem, por meio da criação e desenvolvimento de sistemas e máquinas automatizadas, capazes de realizar as mesmas tarefas que o homem, precisando apenas de pouca ou nenhuma intervenção do mesmo. Econômico: Economizar tempo de realização das tarefas de produção, tendo em vista a alta capacidade de processamento e execução de operaçõesmecânicas e de cálculos que os sistemas e as máquinas possuem. Economizar tempo de manutenção de equipamentos através de softwares programados, que executam rotinas de inspeção do estado de funcionamento destes e enviam através da rede, inúmeros relatórios de diagnósticos de falhas e defeitos, assim como demais informações sobre as operações. 17 Economia financeira, tendo em vista que o controle automático de produção diminui o desperdício de matérias primas e recursos, através de sensores que monitoram as diversas variáveis dos processos e acionam controles de intervenção contra falhas no processo. Ergonômico: Preservar a boa condição física do homem, através da criação de máquinas capazes de operar em ambientes agressivos, confinados e insalubres, onde colocaria em sérios riscos a saúde humana. Implantar máquinas e sistemas capazes de suportar os mais variados esforços e que possam coletar dados de lugares de difícil acesso ao homem. Ambiental: Preservar o meio ambiente por meio dos sistemas automatizados de tratamento dos rejeitos e efluentes, que retira ao máximo as impurezas e agentes químicos nocivos dos fluidos e sólidos antes de serem rejeitados e devolvidos ao ambiente. Criar sistemas de controles de extração de recursos ambientais, afim de evitar a exploração excessiva de matéria, evitando a escassez. 1.2.2 - Objetivos da Automação Residencial Aplicar a implantação dos conceitos vantajosos da automação industrial em um ambiente residencial, utilizando técnicas para a adequação de sistemas que se adaptem ao ambiente residencial. Selecionar e utilizar de melhor maneira os dispositivos, equipamentos, hardwares e softwares que mais se adéquam ao ambiente residencial, integrando –os e programando – os para que o projeto possa atender as necessidades dos clientes. 1.3 - Objetivo Geral Defender e promover a Automação Residencial como nova tendência em solução de economia de energia, conforto, segurança e economia de tempo para os usuários (habitantes) de uma residência, abordando o uso de Microcontroladores e módulos de baixo custo. 1.4 - Objetivos específicos Apresentar o conceito de Automação Residencial; 18 Comparar e diferenciar os elementos presentes na Automação Industrial, quanto aos presentes na Automação Residencial; Explicar a finalidade da Automação Residencial e apresenta-la como melhoria dos esquemas elétricos antigos de uma residência. Apresentar técnicas e tecnologias variadas de acionamento de sistemas e equipamentos elétricos de uma residência. Dar ênfase a novas plataformas de programação e o uso em larga escala de Microcontroladores como o Arduino e seus módulos menos robustos e de baixo custo. Exemplificar as diferentes combinações possíveis de acionamentos, descrevendo pontos importantes desde o simples acionamento e controle por interruptores, botões pulsantes e botões digitais, até acionamentos remotos, via Bluetooth, infravermelho, radiofrequência, via rede e até mesmo pela internet. Tendo em vista a praticidade e as diversas possibilidades de economia de tempo, segurança entre outras vantagens que trazem. 1.5 - Metodologia O trabalho foi realizado com base em pesquisa exploratória, em diversas fontes sobre o assunto na internet. Foi consultado artigos, revistas técnicas, sites de empresas do setor e afins, para que pudesse ser sintetizada toda a base de conhecimento teórico a respeito do assunto, e utilizou – se das experiências acadêmicas práticas, para desenvolver o núcleo teórico e a estrutura dos projetos apresentados. 1.6- Limitações do Trabalho Este trabalho não abordará a fundo comparativos financeiros, assim como cálculos de tarifas e consumo de energia; Não será aprofundado também, detalhes minuciosos de programação e diagramas elétricos. 1.7 - Motivação A automação residencial não deve ser vista somente sob a concepção de luxo ou excentricidade, disponível a poucos com mais recursos financeiros. Como qualquer novidade, a automação residencial, inicialmente, é percebida pelo cliente como um símbolo de status e modernidade. No momento seguinte, o conforto e a conveniência por ela proporcionados passam a ser decisivos. E, por fim, ela se tornará uma necessidade e um fator de economia [AURESIDE]. 19 1.8 – Estrutura do Trabalho O primeiro capítulo introduz o conceito de automação residencial e apresenta dados de pesquisa sobre a caracterização do sistema de automação em geral. Apresenta a justificativa quanto a escolha do tema e o problema a ser resolvido, assim como ressalta também, os objetivos da pesquisa, a motivação, a metodologia e as limitações de aprofundamento no tema. O segundo capítulo contextualiza a teoria por trás dos equipamentos, dispositivos usados e a caracterização das instalações residenciais, assim como o que pode ser melhorado. É apresentado também neste capítulo os elementos necessários para se automatizar uma residência e ressaltado de maneira básica as tecnologias envolvidas. No terceiro capítulo são apresentados alguns exemplos práticos que podem ser implantados nas instalações residenciais, de maneira a automatizar os processos. São apresentados dispositivos, suas ligações e sua programação, em circuitos de acionamentos de iluminação, alarmes e monitoramento de nível de água em reservatórios, a fim de demonstrar a simplicidade e economia, nas possibilidades praticas para uma residência automatizada sem alto investimento financeiro. O quarto capítulo apresenta custos de materiais hipoteticamente utilizados. É feito um levantamento dos materiais e é apresentado seus custos-benefícios, é apresentado dados de fontes confiáveis sobre as características desses materiais, confrontando suas vantagens quando comparados com dispositivos mais sofisticados. Sustentando assim o argumento de economia para viabilidade do projeto. O quinto capítulo apresenta as considerações finais do trabalho em uma breve, porém esclarecedora conclusão e o sexto e ultimo capitulo, apresenta todo o referencial bibliográfico que deu suporte teórico a este trabalho. 20 2. CAPÍTULO II – REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 - CONCEITOS 2.1.1 – Automação residencial O que é Automação Residencial Conforme pesquisado no site da empresa brasileira GDS automação residencial, antigamente a Automação Residencial era considerada luxo. Somente pessoas com alto poder aquisitivo tinham acesso ao conforto, à segurança e ao padrão estético oferecidos por este serviço. Aos poucos esta tecnologia foi ganhando espaço, valorizando ambientes, e reduzindo os custos. Hoje o conceito de Automação Residencial está mudado. Tem – se a alcance uma gama de possibilidades práticas e econômicas que utilizam a automação, desde a básica até a mais abrangente, em sistemas de integração para diversos ambientes. O resultado é um ambiente prático, confortável, agradável, mais bonito, valorizado e seguro, de acordo com o interesse do usuário. Trata-se da aplicação de sistemas de controle baseados na automação, para todas as funções encontradas no ambiente, integrando seus acionamentos, visando sempre a praticidade, simplicidade e objetividade dos comandos, e paralelamente, a beleza, o conforto e a valorização do ambiente. Além disso, hoje há também a questão da segurança que certas instalações de automação podem trazer para a residência. A automação tem seu preço variado de acordo com o projeto que se deseja. Para projetos simples, porém muito eficazes, há hoje uma vasta gama de componentes e dispositivos tecnológicos, dos quais serão destacadosneste trabalho os microcontroladores, em especial o Arduino, que é um dos mais baratos, confiáveis e de simplicidade incomparável de instalação de hardware e software, além de estar ainda em constante processo de atualização. Por ser uma plataforma open source, o Arduino possui grande atenção de estudantes, amadores e também profissionais, pois uma plataforma de “recursos abertos” - que é o que open source quer dizer - significa que é algo que pode ser trabalhado por todos, no sentido de aprimoramento. Significa dizer que todos os usuários interessados podem trabalhar em melhorias e no desenvolvimento de módulos que possam perfeitamente se comunicar com ele, assim como por exemplo adicionar componentes especiais ao hardware (upgrade da placa) ou ao 21 software (IDE). Mas o que exatamente é o Arduino e o que ele pode ou não pode fazer? 2..1.2 - O que é Arduino Segundo um artigo postado no blog FILIPEFLOP, por Adilson Thomsen, formado em Ciência da Computação pela Universidade de Mogi das Cruzes, responsável pelo departamento técnico da FILIPEFLOP, o Arduino foi criado em 2005 por um grupo de 5 pesquisadores : Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino e David Mellis. O objetivo era elaborar um dispositivo que fosse ao mesmo tempo barato, funcional e fácil de programar, sendo dessa forma acessível a estudantes e projetistas amadores. Além disso, foi adotado o conceito de hardware livre, o que significa que qualquer um pode montar, modificar, melhorar e personalizar o Arduino, partindo do mesmo hardware básico. Assim, foi criada uma placa composta por um microcontrolador Atmel, circuitos de entrada/saída e que pode ser facilmente conectada à um computador e programada via IDE (Integrated Development Environment, ou Ambiente de Desenvolvimento Integrado) utilizando uma linguagem baseada em C/C++, sem a necessidade de equipamentos extras além de um cabo USB. Figura 1. – Placa Arduino UNO. 1 Depois de programado, o microcontrolador Arduino pode ser usado de forma independente, ou seja, pode ser colocado para controlar um robô, uma lixeira, um 22 ventilador, as luzes de uma casa, a temperatura do ar condicionado, pode ser utilizado como um aparelho de medição ou qualquer outro projeto que vier à cabeça. Existem também os chamados Shields, que são placas que podem ser encaixadas no Arduino para expandir suas funcionalidades. A figura 2. abaixo mostra um Arduino Ethernet Shield encaixado no Arduino Mega 2560. Ao mesmo tempo que permite o acesso do Arduino à uma rede ou até mesmo à internet, mantém os demais pinos disponíveis para utilização, assim pode-se, por exemplo, utilizar os pinos para receber dados de temperatura e umidade de um ambiente, e consultar esses dados de qualquer lugar do planeta: Figura 2. - Arduino Ethernet Shield encaixado no Arduino Mega 2560. 2 Com estas duas Placas alimentadas, dispositivos atuadores e uma programação simples, já podem ser obtidos resultados incríveis de aplicações automatizadas em uma residência, como acionar lâmpadas pela rede, por exemplo, como será mostrado ao longo deste e tratado com maiores detalhes de como deve ser implantado nas instalações elétricas residenciais. Há também uma variedade de módulos, que são pequenas placas que contém os sensores e outros componentes auxiliares como resistores, capacitores e leds. 1Disponível em: http://blog.filipeflop.com/arduino/o-que-e-arduino.html 2 Disponível em: Disponível em: http://blog.filipeflop.com/arduino/o-que-e-arduino.html 23 Figura 3. – Módulos para Arduino. 3 2.1.3 - Instalações elétricas residenciais Tomando como base os conhecimentos que se adquire no estudo da disciplina Instalações Elétricas Prediais, pode–se definir muito bem as instalações residenciais como um projeto que tem por objetivo fornecer energia elétrica a uma residência, suprindo toda a demanda de iluminação e aparelhos elétricos que a residência irá comportar. Este projeto que deve ser regulamentado pela norma NBR 54104, consiste basicamente na ligação e interligação de cabos elétricos, de maneira a formar 3 Disponível em: http://blog.filipeflop.com/arduino/o-que-e-arduino.html 4 NBR-5410 é a norma que estipula as condições adequadas para o funcionamento usual e seguro das instalações elétricas de baixa tensão, ou seja, até 1000V em tensão alternada e 1500V em tensão contínua. Esta norma é aplicada principalmente em instalações prediais, públicas, comerciais, etc. 24 circuitos de tomadas de uso geral (que servem para ligar qualquer aparelho elétrico que se deseja), tomadas de uso específico ( que são tomadas especiais, próprias para usos de aparelhos ou dispositivos fixos. Ex.: chuveiro, torneira elétrica, ar condicionado...) e iluminação, que são determinadas por pontos de luz (localização das lâmpadas de cada cômodo da casa). Deve haver portanto, um quadro elétrico (QE), que é composto por disjuntores de proteção, cujo a função é permitir ou interromper a passagem de energia pelos fios que compõem os circuitos ao qual estão ligados, afim de oferecer proteção contra choques e sobrecorrente, através de seu desligamento manual, ou automático por excesso de corrente elétrica passando pelo seus terminais. É a partir deste quadro que partem os cabos elétricos e são distribuídos os circuitos por toda a residência. Deve haver também interruptores para ligar e desligar as luzes, pois são dispositivos que abrem e fecham um determinado circuito, interrompendo a continuidade dos fios que levam a energia elétrica até uma lâmpada, ou dando continuidade e oferecendo passagem de corrente para o acendimento da mesma. Como dito até então, será tratado neste trabalho, como a implantação de equipamentos de automação, podem melhorar as instalações básicas de uma residência, mudando o simples jeito de acender e apagar uma lâmpada, a maneira de ligação das tomadas, assim como outras melhorias que serão propostas, afinal a proposta de automação é a de melhorar sempre, pôr inteligência no funcionamento das coisas. Atualmente a instalação e o acionamento de lâmpadas e tomadas se dá de maneira bem simples – não que o objetivo da automação seja complica – La –, porém pode ser aprimorada essa maneira ainda mais, mas é preciso antes compreender como se caracteriza hoje e ressaltar os seus inconvenientes. Vale lembrar que o projeto dá ênfase ao processo de implantação da automatização de baixo custo em uma residência já pronta, com seus esquemas elétricos convencionais já definidos, visando assim a adaptação para novas tecnologias que possam ser facilmente incorporadas a rede elétrica e de comunicação, afim de melhorar de forma segura a planta já existente. Convencionalmente para a instalação de lâmpadas e tomadas em uma residência, os fios, como citado acima, para uma instalação onde a tensão da rede é 127V, são: um fio fase, um fio neutro, um fio de aterramento e ainda um fio de retorno da fase, para as instalações de interruptores para lâmpadas, ventiladores de teto, etc. Para implantação do sistema automatizado, é certo que será preciso a instalação de cabos adicionais, pois mesmo utilizando sistemas de acionamentos sem fio, será apropriado manter uma ligação paralela de acionamento manual, permitindo que em caso de erro ou algum outro tipo de 25 problema no controle automático, o usuário não fique dependente do reparo do mesmo e possa ter uma segunda opção. Esta maneira ainda sim, torna o projeto viável e de baixo custo, pois como já dito, os equipamentos são de preços acessíveis e de fácil instalação e manutenção,permitindo que o usuário tenha todo um suporte técnico remoto para resolver eventuais problemas sem gastar com mão de obra de manutenção especializada. 2.2 – Caracterização do sistema O chamado sistema em automação residencial, caracteriza – se pela interligação de dispositivos periféricos ao controle principal, ou seja, o microcontrolador ou, dependendo do sistema implantado, ao quadro de automação, que possui não só um controlador principal, mas também outros controles secundários. Para falar do sistema em si, é preciso antes falar de cada periférico que o compõe. Assim será explicado com maiores detalhes, um pouco sobre os dispositivos responsáveis por estabelecerem conexões entre equipamentos, até mesmo para o caso de acionamentos remotos sem fio. Esses dispositivos são os que já se espera encontrar em uma residência padrão nos dias de hoje e sua presença em uma residência é essencial para que esta possa receber a automação. São os dispositivos responsáveis por estabelecer uma rede doméstica de computadores e prover comunicação com o mundo externo a uma residência. Roteadores, modems, separadores e não menos importante, o cabeamento que interligará todos os já citados, entre si e com os periféricos de automação. Os roteadores tem a função de encaminhar pacotes de dados entre redes de dispositivos, ou seja, ele compartilha rede Wi-Fi para PC, notebooks, e outros gadgets móveis. Portanto com a presença de um roteador em uma residência é possível comunicar – se a internet e a outros dispositivos que possam comandar e serem comandados via cabo de rede ou por conexão sem fio. Para que a comunicação ocorra, basicamente os roteadores mais modernos que também possuem a função de modems, recebem a ligação de um cabo de dados em sua entrada e geralmente transmitem internet através da conectividade sem fio. Há também outras maneiras de se caracterizar um sistema, utilizando módulos de comunicação sem fio como os de Bluetooth e infravermelho que possuem a vantagem de apresentarem menor complexidade na instalação e no estabelecimento de conexão, porém possuem a grande desvantagem de 26 permitirem apenas conexões entre dispositivos separados por pequena distancia. No caso do infravermelho a desvantagem encontrada é ainda maior, pois este exige que os dispositivos que desejam se comunicar estejam apontados na direção dos respectivos emissores e transmissores. Contudo, cada qual possui sua extrema importância em suas determinadas aplicações e são tecnologias essenciais para a automação residencial simples, de baixo custo, porém eficaz. Ambas as tecnologias podem ser partes constituintes de uma rede de comunicação doméstica entre dispositivos e possuem protocolos de comunicação específicos para seu correto funcionamento. Motivo pelo qual será dado maior atenção a seguir para suas características. 2.3 – Redes domésticas e protocolos Em vários livros e sites de pesquisa na internet, pode – se encontrar a definição básica de que Redes de Computadores refere-se a interconexão por meio de um sistema de comunicação baseado em transmissões e protocolos de vários computadores com o objetivo de trocar informações, além de outros recursos. Por exemplo, se dentro de uma casa, existe um computador no quarto e outro na sala e estes estão isolados, eles não se comunicam. Mas, por outro lado, se houver um cabo coaxial interligando-os de forma que eles entrem em contato com a internet, existe uma rede. Redes domésticas como o próprio nome já induz a entender, são os tipos de redes apropriadas para serem configuradas em uma residência e a compreensão do básico sobre elas, é de grande importância neste trabalho. Pois como já dito anteriormente, através delas se pode criar soluções simples em automação. Hoje as redes mais encontradas em uma residência, são as para comunicação entre computadores, notebooks e gadgets, como os smartphones. São as redes WiFi e a rede Ethernet. Essas redes podem ser aproveitadas com êxito para a adição de vários dispositivos de automação e além delas, pode-se configurar também, com baixo custo, outras redes sem fio de menor alcance. Para que uma comunicação de dispositivos em rede ocorra, é necessário que essas obedeçam a determinados protocolos de comunicação. Estes protocolos nada mais são do que padrões que definem o modo como os dispositivos irão ser conectados uns aos outros, como irão se comunicar, como irão se reconhecer em uma rede, como irão terminar uma comunicação, quantos dispositivos poderão se comunicar ao mesmo tempo, e outras regras pré-estabelecidas por normas relacionadas a comunicação entre dispositivos via rede. 27 2.3.1 – Tecnologia Ethernet Segundo o site Wikipédia, Ethernet é uma arquitetura de interconexão para redes locais - Rede de Área Local (LAN) - baseada no envio de pacotes. Ela define cabeamento e sinais elétricos para a camada física, em formato de pacotes e protocolos para a subcamada de controle de acesso ao meio (Media Access Control - MAC) do modelo OSI. Ainda segundo pesquisa realizada na internet, no site ccm.net, encontrou-se material que diz que a Ethernet é uma tecnologia de rede muito utilizada porque o preço de tal rede não é muito elevado. Em seu princípio de transmissão, todos os computadores de uma rede Ethernet estão ligados a uma mesma linha de transmissão, e a comunicação faz-se com um protocolo chamado CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect que significa que se trata de um protocolo de acesso múltiplo com vigilância de portador Carrier Sense e detecção de colisão). Com este protocolo qualquer máquina está autorizada emitir sobre a linha a qualquer momento e sem noção de prioridade entre as máquinas. Esta comunicação faz-se de maneira simples : Cada máquina verifica que não há nenhuma comunicação na linha antes de emitir Se duas máquinas emitirem simultaneamente, então há uma colisão (ou seja, várias tramas de dados encontram-se na linha ao mesmo momento) As duas máquinas interrompem a sua comunicação e esperam um prazo aleatório, seguidamente a primeira que ultrapassou este prazo pode então emitir de novo. 2.3.2 – Tecnologia Wi - Fi Sobre o Wi–Fi, um texto encontrado no site InfoWester, escrito pelo redator formado em ciência da computação Emerson Alecrim, diz que Wi-Fi é um conjunto de especificações para redes locais sem fio (WLAN - Wireless Local Area Network) baseada no padrão IEEE 802.11. O nome "Wi-Fi" é tido como uma abreviatura do termo inglês "Wireless Fidelity", embora a Wi-Fi Alliance, entidade responsável principalmente pelo licenciamento de produtos baseados na tecnologia, nunca tenha afirmado tal conclusão. O funcionamento da tecnologia, sem entrar em muitos detalhes, permite basicamente com que os dispositivos, com seus devidos suportes, se comuniquem uns com os outros por meio da radio frequência. Para isso é utilizado como principal e único meio físico o ar. 28 2.3.3 - Tecnologia Bluetooth Ainda na rápida pesquisa no site InfoWester, sobre Bluetooth foi encontrado que é um padrão global de comunicação sem fio e de baixo consumo de energia que permite a transmissão de dados entre dispositivos, desde que um esteja próximo do outro. Uma combinação de hardware e software é utilizada para permitir que este procedimento ocorra entre os mais variados tipos de aparelhos. A transmissão de dados é feita por meio de radiofrequência, permitindo que um dispositivo detecte o outro independente de suas posições, sendo necessário apenas que ambos estejam dentro do limite de proximidade (a princípio, quanto mais perto um dooutro, melhor). Quando dois ou mais dispositivos se comunicam por meio de uma conexão Bluetooth, eles formam uma rede denominada piconet. Nesta comunicação, o dispositivo que iniciou a conexão assume o papel de master (mestre), enquanto que os demais dispositivos se tornam slave (escravos). Cabe ao master a tarefa de regular a transmissão de dados na rede e o sincronismo entre os dispositivos. Assim como em qualquer tecnologia de comunicação, o Bluetooth precisa de uma série de protocolos para funcionar, cada um atendendo a um fim específico. Os mais importante são chamados de protocolos núcleo ou protocolos de transporte e são divididos, basicamente, nas seguintes camadas: - RF (Radio Frequency): como o nome indica, camada que lida com os aspectos relacionados ao uso de radiofrequência; - Baseband: camada que determina como os dispositivos localizam e se comunicam com outros aparelhos via Bluetooth. É aqui, por exemplo, que se define como dispositivos master e slave se conectam dentro de uma piconet, sendo também onde os padrões SCO e ACL (mencionados anteriormente) atuam; - LMP (Link Manager Protocol): esta camada responde por aspectos da comunicação em si, lidando com parâmetros de autenticação, taxas de transferência de dados, criptografia, níveis de potência, entre outros; - HCI (Host Controller Interface): esta camada disponibiliza uma interface de comunicação com hardware Bluetooth, proporcionando interoperabilidade entre dispositivos distintos; - L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol): esta camada serve de ligação com camadas superiores e inferiores, lida com parâmetros de QoS (Quality of Service - Qualidade de Serviço), entre outros. 29 2.3.4 – Tecnologia de comunicação por Infravermelho (IR – do inglês, Infra – Red.). Essa tecnologia promove a comunicação sem fio através da luz infravermelha. Sua forma de transmissão de dados é implementada de acordo com os protocolos e padrões da IrDA (Infrared Data Association). Esses padrões são projetados para aceitar componentes de baixo custo e reduzir a demanda de energia, e para ativar conexões simplesmente apontando dispositivos de infravermelho um para o outro. Suas principais características são que as ondas infravermelhas não atravessam objetos sólidos, podendo assim ser usada então na detecção de uma barreira física entre o emissor do feixe de luz infravermelho e o receptor, fazendo com que este envie um comando ao controle, informando que o feixe foi interrompido, para que este outro por sua vez tome uma decisão. Outras características são que assumem comportamento parecido com o da luz, quando se desloca do rádio de onda longa e vai em direção à luz visível, perdendo as características de rádio; Um sistema infravermelho num ambiente fechado, não interfere com o outro instalado que está instalado a sala ao lado, por isso sua legalização perante o governo; Em locais abertos o mesmo é inviável devido o sol enviar radiação. Com a mínima descrição das tecnologias citadas acima, será de mais fácil compreensão para todos os leitores deste trabalho, dos projetos que compõem uma automatização simples em uma residência. Será de mais fácil compreensão como funcionam os controles de acionamentos de lâmpadas via Bluetooth, do disparo de alarmes por detecção Infravermelho da presença de um corpo, do controle de nível de reservatórios de água, através de relés comandados remotamente para abrir e fechar válvulas via rede Wifi ou Ethernet, assim como demais demonstrações que serão apresentadas no capítulo adiante. Este capítulo abordou alguns conceitos necessários à mais fácil compreensão de projetos de automação residencial. Foi apresentado o conceito básico e a importância da automação residencial para aqui ser defendida, foi apresentada a ferramenta principal na qual os projetos em questão giram em torno: O microcontrolador Arduino, que é um poderoso hardware composto de microprocessador e circuito integrado programável, para leitura de dispositivos sensores, controle de dispositivos motores e acionamento de dispositivos atuadores. Foi abordado também sobre a caracterização das instalações residenciais e como a instalação de dispositivos de automação podem interferir na configuração estrutural. E ainda foi descrito sobre equipamentos básicos já encontrados nas residências atuais, que constituem uma rede de comunicação geralmente entre computadores, notebooks, smartphones e impressoras, e que com a chegada da automação passarão a dividir conexão com dispositivos controladores, sensores e atuadores. Foi abordado também de maneira sucinta e resumida, as tecnologias de comunicação que esses dispositivos usam para se comunicarem. 30 No Próximo capitulo será abordado mais claramente as simulações de projetos de automação residencial. Serão apresentadas as propostas práticas, os esquemas e a funcionalidade de aplicações úteis de grande economia se comparados a sistemas mais complexos que utilizam dispositivos e softwares patenteados, de grandes marcas. 31 3. CAPÍTULO III – DESENVOLVIMENTO DE APLICAÇÕES Como foi mostrado nos capítulos anteriores o conceitual das instalações elétricas em uma residência, este capitulo toma como ponto de partida a apresentação dos projetos a serem implantados, a partir de uma casa já construída e com suas instalações já definidas. Limitando – se apenas a detalhar formas de ligação de comando e comunicação, em seu quesito funcional entre dispositivos usuais da residência, abstendo – se de demais explicações sobre a localização na passagem de cabos pela estrutura residencial, assim como dados de luminotécnica e demais dados de alçada da engenharia civil e arquitetura. O objetivo em questão é apresentar excelentes simulações de projetos que podem ser facilmente implantados em uma residência, tenha ela um sistema de cabeamento estruturado ou não, ficando a critério do profissional de automação, a localização dos dispositivos e cabos de conexão, assim como a localização física do quadro central de controle. Quanto as normas, segundo a AURESIDE (Associação Brasileira de Automação Residencial), não existem normas específicas para a automação residencial, sendo esta amparada apenas pelas normas da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) como a já citada NBR 5410/04 – Instalações elétricas em baixa tensão, a NBR 7198/93 – Projeto e execução de instalações prediais e água quente, NBR 12269/92 – Execução de instalações de sistema solar, e NBR 5413 – Iluminação de interiores para instalações elétricas de baixa tensão; e pelas normas internacionais da ANSI/TIA/EIA (American National Standards Institute)/(Telicomunication Industry Association)/(Energy Information Administration), como as ANSI/TIA/EIA 570-A – Residetial Telecomunication Cabling Standards (Sistema de Cabeamento Residencial) e ANSI/EIA 600 – Protocolo CEBus (Padrão utilizado nos equipamentos de Automação). Ainda sobre cabeamento é importante apenas ressaltar duas definições explicadas por José Roberto Muratori e Paulo Henrique Dal Bó em um artigo para a revista O setor elétrico: Cabeamento estruturado e Cabeamento não estruturado (Instalação convencional) Cabeamento residencial não estruturado Para um cabeamento residencial convencional ou também conhecido como “não estruturado”, a instalação é feita por demanda, ou seja, de acordo com as necessidades imediatas da residência. O lançamento de cabos é feito apenas para os pontos que estarão ativos e, a cada novo remanejamento, é necessário o lançamento de um novo cabo, pois a infraestrutura não está preparada para tal. Neste caso, não se utilizao conceito de manobras para disponibilizar um serviço de telecomunicações (dados, 32 voz e imagem). As principais vantagens do cabeamento “não estruturado” são o baixo custo inicial e a rapidez na instalação. As principais desvantagens seriam o alto custo de manutenção, a péssima flexibilidade, pois não prevê um crescimento adequado da instalação e normalmente não conta com documentação apropriada. Assim, a infraestrutura torna-se insuficiente para acomodar novos lançamentos de cabos e podem ocorrer danos ao cabeamento já instalado devido ao lançamento de novos cabos. Cabeamento residencial estruturado Já para um cabeamento residencial estruturado, o lançamento de cabos é feito de forma planejada e visando atender não só às necessidades atuais como as futuras. É concebida a instalação de vários pontos em um mesmo ambiente, levando-se em consideração a área útil e o tipo de utilização. Emprega-se o conceito de “ponto de serviços de telecomunicações”, por meio do qual, através de uma manobra no cabeamento, será possível disponibilizar o tipo de serviço desejado (dados, voz e imagem). Isto permitirá que, em uma eventual necessidade de alteração de um ponto de serviço, por exemplo, a mudança de um ponto de telefone de um lado da cama do casal para o outro, na suíte master, seja possível fazê-la rapidamente, simplesmente efetuando-se uma manobra no Patch Panel (painel de manobras) nos pontos correspondentes às tomadas. (JOSÉ ROBERTO MURATORI é engenheiro de produção formado pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, com especialização em administração de empresas pela Fundação Getúlio Vargas. Foi membro- fundador da Associação Brasileira de Automação Residencial (Aureside), a qual dirigiu por cinco anos. É consultor na área de automação e palestrante. PAULO HENRIQUE DAL BÓ é engenheiro eletrônico pela Universidade Mackenzie e pós-graduado em automação industrial pela FEI. É professor do curso de pós-graduação na Faculdade de Tecnologia de São Paulo (Fatec-SP) e diretor técnico da Associação Brasileira de Automação Residencial (Aureside), O SETOR ELÉTRICO, ED.63, P.58, online). 33 3.1 – Projetos de Iluminação Projetos de Iluminação convencionais se constituem basicamente pela elaboração do diagrama elétrico de instalação e a execução da passagem de cabos necessários a serem ligados, à alimentação (fase e neutro em 127V ou fase e fase em 220V), às lâmpadas e aos interruptores (dispositivos de acionamento). Nos projetos de iluminação automatizados que seguem, as mudanças se dão na implantação de uma ou várias maneiras diferentes de acender as luzes. 3.1.1 – Acionamento de lâmpadas via Bluetooth. Atualmente há várias possibilidades no que diz respeito a utilizar acionamento de lâmpadas sem fio, via Bluetooth. É impressionante a variedade de dispositivos disponíveis no mercado. Porém todos os dispositivos são muito parecidos na forma de funcionamento, preço e demais características que se deve levar em consideração na hora de planejar um projeto. Será mostrado neste exemplo o acionamento que utiliza o Arduino, com uma placa de módulo Bluetooth denominada Bluetooth shield. 3.1.1.1 – Acionamento utilizando Bluetooth shield e aplicativo Android. Este acionamento é feito por meio de um shield Arduino que como já mencionado, nada mais é do que um módulo de expansão acoplado às portas da placa Arduino e permitindo – o nesse caso possuir comunicação via Bluetooth com outros dispositivos. Uma vez feita a configuração do shield, o Arduino pode comandar (mestrer), ou ser comandado (escravo), por outros dispositivos via Bluetooth. Para este exemplo o shield em questão, proporcionará a comunicação do arduino com um smartphone que possua sistema operacional Android. Porém uma vez configurado, o shield permite o Arduino se comunicar com qualquer dispositivo que possua adaptador Bluetooth, como notebooks, televisores, rádios e até mesmo outros Shields Bluetooth para Arduino. Não existe apenas um Shield Arduino, há hoje uma grande variedade, ficando a critério do profissional de automação ou até mesmo do cliente, escolher dentre tantas possibilidades. No exemplo em questão será usado o Bluetooth shield SLC63030p, conforme mostrado na figura 4., encontrado em pesquisa na internet sobre projetos de acionamentos via Bluetooth. 34 Figura 4. – Bluetooth shield5 Ele tem a opção de escolher dois pinos do Arduino (de D0 a D7), e utilizar a biblioteca SoftwareSerial.h para se fazer com que o Arduino se comunique com o Bluetooth Shield através desses pinos. A alimentação de energia necessária para seu fuincionamento é de 3.3V e o protocolo utilizado em sua comunicação é o Bluetooth V2.0 com SPP firmware. Para mais características técnicas vide datasheet. Para que ele possa se comunicar com um dispositivo Android, é necessário a instalação de um aplicativo neste último. O aplicativo escolhido é o Android Bluetooth Kawalan da empresa Amphan, conforme figura 5. 5 Disponível em: http://wiki.seeedstudio.com/wiki/Bluetooth_Shield 35 Figura 5. Aplicativo utilizado para comunicar o bluetooth shield com um dispositivo android 6 Este Aplicativo é bastante versátil, disponibilizando até 8 botões para acionamentos, onde cada botão envia um caractere pelo link serial para o dispositivo da outra ponta. Para o primeiro botão é enviado "A" quando em estado ON e "a" quando em estado OFF, para o segundo botão os caracteres "B" e "b" e assim por diante até os caracteres "H" e "h", pois o aplicativo disponibiliza até 8 botões. É possível alterar o nome dos botões, como por exemplo, o primeiro botão pode ser nomeado como Lâmpada 1 e segundo como Lâmpada 2. Abaixo é exibido o esquema de ligação entre o módulo relé e o shield já acoplado às portas do Arduino, ressaltando que esse acoplamento consiste em encaixar perfeitamente os pinos de ligação do shield às portas do Arduino, unindo os dois como um só, ou seja, o Arduino e o shield agora formam uma única placa, com suas funcionalidades combinadas pela junção dos dois em um só dispositivo. Essa ligação é vantajosa, pois elimina a necessidade de fios de ligação, assim como deixa livre as todas as portas digitais e analógicas do Arduino, que são agora utilizadas através da placa do shield. O melhor detalhamento é mostrado na figura 6. 6 Disponível em: http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial-acionamentos-via-bluetooth-utilizando-bluetooth-shield-e 36 Figura 6. – Circuito exemplo de ligação Bluetooth shield. 7 A partir dessa ligação tem – se o módulo relé disponível para ser ligado a qualquer saída tanto de corrente contínua, quanto alternada, desde que essa não exceda a sua capacidade de corrente suportada. Neste caso a partir desta ligação é que são feitas as instalações das lâmpadas, uma vez já existindo a instalação convencional 7 Adaptado de: http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial-acionamentos-via-bluetooth-utilizando-bluetooth-shield-e 37 em uma residência, a opção apresentada pode ser adicionada em paralelo. Os reles passam a ter o papel fundamental de um interruptor, permitindo e interrompendo a passagem de corrente elétrica para alimentar o circuito de acionamento das lâmpadas. Por trás de todo o funcionamento desta instalação há o sketch que é compilado na IDE do Arduino, que nada mais é do que o código de programa escrito em wiring que é a linguagem que o Arduino “entende”. Esse código para o acionamento de uma lâmpada, por exemplo,é bem simples e requer poucas instruções como mostrado abaixo: #include <SoftwareSerial.h> //Inlcui a biblioteca SoftwareSerial.h #define RxD 6 //Define RxD como 6 #define TxD 7 //Define TxD como 7 #define RELE_LAMPADA 4 //RELE_LAMPADA como 4 SoftwareSerial blueToothSerial(RxD,TxD); //Instância a biblioteca SoftwareSerial.h void setup() { pinMode(RELE_LAMPADA, OUTPUT); //Configura o pino 4 como saída parear_dispositivo(); //Executa a função para parear o dispositivo } void loop() { char letra; //Variável char para armazenar o caractere recebido if(blueToothSerial.available()) //Se algo for recebido pela serial do módulo bluetooth { letra = blueToothSerial.read(); //Armazena o caractere recebido na variável letra if(letra == 'A') digitalWrite(RELE_LAMPADA, HIGH); // se o caractere recebido for a letra A, liga a Lâmpada else if(letra == 'a') digitalWrite(RELE_LAMPADA, LOW); //Senão se o caractere recebido for a letra a, desliga a Lâmpada else if(letra == 'H') digitalWrite(9, LOW); else if(letra == 'h') digitalWrite(9, HIGH); } } 38 void parear_dispositivo() { blueToothSerial.begin(38400); // Configura o baud rate do bluetooth como 38400 blueToothSerial.print("\r\n+STWMOD=0\r\n"); // Configura o módulo bluetooth para trabalhar como slave blueToothSerial.print("\r\n+STNA=SeedBTShield\r\n"); // Configura o nome do disopsitivo bluetooth blueToothSerial.print("\r\n+STOAUT=1\r\n"); // Permite que outros dispositivos encontrem o módulo bluetooth blueToothSerial.print("\r\n+STAUTO=0\r\n"); // Desabilita a auto conexão delay(2000); // Aguarda 2 segundos blueToothSerial.print("\r\n+INQ=1\r\n"); // Habilita modo de paridade delay(2000); // Aguarda 2 segundos blueToothSerial.flush(); // Dá um flush na serial do módulo bluetooth } O Código é de simples compreensão e interpretação. Em seu início é feita a inclusão da biblioteca do shield Bluetooth para o Arduino, essa inclusão serve basicamente para apresentar funções do Bluetooth shield ao Arduino, considerando que são dispositivos diferentes e com funções distintas. Em seguida são definidos as portas 6 do Arduino para recepção de dados (RxD) e 7 para transmissão de dados (TxD), é definida também a porta que receberá sinais do Arduino e enviará sinais de comando ao relé, a porta 4. A configuração void setup, declara a porta de relé como uma porta de saída, ou seja, determina que esta porta envia algum sinal à algum dispositivo, neste caso, o relé. No programa principal, é definida a variável local char, que armazenará o caractere recebido. Logo em seguida é escrito a instrução de programa que verifica se algo foi recebido pela porta serial do módulo Bluetooth, se sim, é armazenado através de uma função. Finalmente para os comandos de acender e apagar a lâmpada, é criada uma condição: Basicamente se a porta receber um caractere contendo uma letra maiúscula “A”, então a lâmpada acende, senão, se o módulo receber um caractere contendo uma letra minúscula “a”, então a lâmpada apaga. 39 Este projeto serve não só para lâmpadas, como também para controle de tomadas, pois o relé comandado, fica encarregado de permitir ou interromper a passagem de corrente elétrica que circula pelos circuitos da residência. É uma solução vantajosa do ponto de vista prático e econômico, tendo em vista que um dos benefícios que o controle de ativação de tomadas pode trazer na economia, é o de desligamento das tomadas ligadas a aparelhos que consomem energia no modo stand by, ou seja, pode-se interromper o funcionamento da tomada quando o aparelho não estiver em uso. Outra grande vantagem do acionamento via Bluetooth, é a confiabilidade de sua conexão. Bluetooth traz menos riscos de falha de comunicação ou perda de sinal, porém em contrapartida esse ponto vantajoso limita – se ao uso correto da tecnologia em respeitar as pequenas distancias entre os dispositivos ligados a rede. Neste ponto, pode-se afirmar que seu uso é limitado para o usuário ao acionamento pelas distâncias de um cômodo a outro, sendo difícil para o alcance do Bluetooth, permitir acionamento de dispositivos internos, a partir de áreas externas grandes (Acionar uma lâmpada situada em um quarto, a partir da rua, por exemplo). 3.1.2 – Acionamento via Wi – Fi O acionamento de lâmpadas pode também ser realizado por Wi – Fi e sua principal vantagem é a de permitir acionamentos sem fio entre dispositivos separados por grandes distâncias, considerando a extensão de uma propriedade residencial. Pode-se por exemplo através da rede Wi-Fi, realizar acionamentos de lâmpadas da garagem antes mesmo de chegar em casa, bastando para isso o dispositivo de comando (notebook, smartphone...), estar conectado à rede. Para isso é importante que se tenha um bom aparelho roteador wireless, pois é a partir de sua capacidade de alcance de transmissão, que se saberá de até qual distancia segura, é possível realizar os acionamentos. Atualmente os bons roteadores encontrados em uma residência, permitem que dispositivos se 40 conectem seguramente a rede de uma distancia de até 500m (quinhentos metros). Outras vantagens da conexão Wi-Fi, são suas configurações de segurança. Para se conectar a rede, os dispositivos precisam de chave de acesso e por vezes outros tipos de proteção, de acordo com a exigência do usuário. O processo é bem parecido com o de comunicação via Bluetooth, o Arduino também conecta-se a um shield que pode ser tanto o Ethernet shield, ou diretamente um shield de transmissão Wi-Fi. Considerando que o profissional de automação escolha o shield Ethernet, tanto pela sua confiabilidade, quanto pela sua possibilidade de além de conectar o Arduino à rede Wi-Fi, conecta-lo também a internet, as instalações se dão de maneiras bem simples. Contudo a diferença fica por conta da configuração um pouco mais trabalhosa, o que confere maior confiabilidade e precisão na transmissão de dados entre dispositivos separados por grandes distancia e na segurança contra dispositivos invasores na rede. O Ethernet shield acoplado ao Arduino, de maneira a formarem um só dispositivo é conectado à um roteador wireless através de cabo UTP (par traçado), também conhecido como cabo de rede, com seu conector RJ 45. Suas portas de entrada/saída, podem ser ligadas por meio de jumps a qualquer outro módulo, e neste caso como no exemplo de acionamento via Bluetooth mostrado acima, essas portas também são conectadas ao módulo relé, que por sua vez podem comandar qualquer carga de corrente contínua ou alternada de até 10A (dez Ampére). Mais uma vez o circuito final é muito simples, como no exemplo de um acionamento de duas lâmpadas mostrado na figura 7. 41 Figura 7 – Circuito Arduino – Ethernet Shield – Lâmpadas.8 O código do exemplo em questão é porém pouco mais complicado, para pessoal pouco familiarizado com redes, mas pode-se explicar resumidamente sua estrutura e suas principais funções, que seguem basicamente os mesmos padrões do exemplo anterior. No inicio do sketch são declaradas as bibliotecas do Ethernet shield, a fim de se estabelecer um reconhecimento das funções deste, que serão usadas pelo Arduino posteriormente. Em seguida são declaradas as variáveis globais aplicadas as portas que serão utilizadas. Na sequencia são feitas as declarações para configuração de endereço IP (Internet Protocol) utilizado pela rede, endereço MAC do shield Arduinopara que seja reconhecido como dispositivo físico na rede, o gateway e a máscara. É criado um servidor para oferecer serviços e atender as solicitações do Arduino, que por sua vez receberá as solicitações do usuário por meios dos comandos dos botões criados na página web vinculada ao endereço IP escolhido pelo próprio. Assim sendo o profissional deve cuidar de inserir linhas de códigos referente a criação de uma página web a seu critério, com os botões que irão comandar o acionamento para ligar e desligar os relés. Realizada uma ação na pagina, esta ação é enviada ao Arduino, este recebe esses comandos, processa, e envia a resposta para a saída, neste caso os relés. Para o usuário final, basta conectar seu computador, notebook, smartphone, (ou qualquer outro gadget com acesso a tecnologia Wi-Fi), de sua preferência à rede, acessar um navegador de sua preferência, digitar o endereço IP configurado e acessar a pagina web, que deverá apresentar uma interface simples com botões 8 Disponível em: http://blog.filipeflop.com/arduino/automacao-residencial-com-arduino-acenda-lampadas-pela-internet.html 42 de comando liga/desliga. É possível ainda aumentar a segurança, configurando na pagina, solicitação de login e senha de usuário cadastrado, ficando esta opção a critério do profissional que fará a implantação ou das exigências do usuário final. Assim tem - se mais uma das muitas possibilidades de automação em acionamentos de iluminação residencial, de forma prática, segura e econômica apresentada ao público de uma forma geral, com poucas restrições quanto ao perfil das residências que poderão utiliza-la. Tendo em vista o crescente números de residências atualmente que possuem a rede Wi – Fi como principal meio de acessar a internet. 3.2 – Projeto de monitoramento de nível de água em reservatórios. Além da iluminação, a automação residencial, deve trazer projetos que visam o aprimoramento e facilitação de realizar tarefas do dia a dia de uma residência. Mesmo as tarefas simples e que não requerem tanto tempo e energia humana, podem se tornar mais praticas e eliminar pequenos inconvenientes, mesmo que estes venham ocorrer apenas em situações ocasionais. Pode-se imaginar hoje como funciona o sistema de abastecimento de água de praticamente qualquer moradia brasileira. Basicamente a água que vem da rede distribuidora, chega aos encanamentos da propriedade e vai na maioria dos casos, (e especificamente do que será tratado neste trabalho), para os reservatórios acumuladores de água da residência (popularmente conhecidos como cisterna ou caixa d’água), que uma vez totalmente abastecidos (cheios), distribuem a água para consumo das torneiras, chuveiros e demais fontes de utilização. Os níveis de água no reservatório porém são desconhecidos enquanto estes são a única fonte de abastecimento, seja por falta d’água proveniente do não abastecimento da distribuidora, ou por ruptura de uma tubulação alimentadora, por exemplo. Os usuários desta água então passam a ter o inconveniente de não saberem o quanto de água ainda tem disponível para utilizar, a não ser que alguém verifique a olho nu a quantidade aproximada que ainda se pode consumir, através de visita ao local de instalação do reservatório, que por sua vez é geralmente alojado no topo da residência, pois essa configuração facilita o abastecimento dos dutos pela queda da água por gravidade. Portanto uma maneira simples de eliminar esse pequeno inconveniente seria que se pudesse medir o nível de água existente no reservatório de uma residência, sem que se precisasse ir até o seu local de instalação. Isso sem dúvidas, 43 eliminaria esforços, economizaria tempo e induziria a conscientização do uso racional da água. 3.2.1 – Sensor de Nível de água ligado ao Arduino. Um projeto simples e barato para o monitoramento do nível de água em um reservatório, utiliza sensores eletromagnéticos de nível, instalados em pontos estratégicos do mesmo. A medida que a superfície da água toca determinado ponto do sensor, este fecha ou abre os seus contatos, permitindo ou interrompendo a passagem de sinal elétrico pelos seus cabos transmissores, atuando semelhante a um interruptor. Esse sinal é enviado para as portas do Arduino, que poderá então gerar sinal digital para acender Leds de indicação, que corresponderão á medida de nível configurada pelo profissional. Este tipo de projeto pode ser usado não só para uma simples verificação de nível em um reservatório, como pode também ser estendido a outros projetos de baixo custo que visam garantir o abastecimento continuo de modo automático, por meio do envio de sinais não só para Leds de indicação, mas como também para relés que poderão acionar uma bomba d’água simples para succionar água de um reservatório inferior, a cada vez que o sistema acusar nível crítico de água no reservatório superior, por exemplo. São muitas as possibilidades. Este tópico se limitará apenas a uma breve sugestão de monitoramento de nível simples, para fins indicativos. Para este exemplo de projeto escolheu-se um sensor de nível feito de material plástico (PP - Polipropileno, segundo o fabricante), composto de uma haste na qual desliza um cilindro feito de material flutuante. Esse cilindro possui um ímã que aciona um sensor magnético no meio da haste, que por sua vez fecha o contato dos 2 (dois) fios que saem do sensor. Isso funciona basicamente como uma boia elétrica como pode ser visto na figura 8. A figura 8.1 mostra que o cilindro possui internamente apenas uma pequena parte preenchida com o ímã, o que torna possível inverter o cilindro e ter um contato normal aberto ou normal fechado, adaptando o sensor às necessidades do projeto. 44 Figura 8. – Sensor de nível em Polipropileno (PP).9 Figura 8.1 – Contatos Normalmente Aberto (NA) e Normalmente Fechado (NF) do sensor.10 9 10 Disponível em: http://www.arduinoecia.com.br/2014/07/arduino-sensor-de-nivel-de-liquidos.html 45 Para um controle satisfatório do nível em um reservatório como uma caixa d’água, o ideal é que sejam utilizados pelo menos três sensores, alinhados verticalmente entre si, de maneira a formar uma escala de medição, de nível baixo, médio e alto. Tal configuração pode ser observada no exemplo mostrado na figura 9. Figura 9. – Instalações dos sensores em um reservatório de água.11 O circuito de ligação ao Arduino é muito simples, consistindo em conectar os fios de ligação dos sensores nas portas do Arduino e ao terra. Para indicação do estado de cada sensor, pode-se como já mencionado, montar um painel com leds para a sinalização visual do estado de cada um e pode-se ainda fazer as devidas medições no reservatório e indicar por escrito no painel ao lado de cada led, qual a medida em litros correspondente. A variedade de possibilidades é grande e cabe ao dono do projeto decidir que ideia aplicar, de acordo com a escolha do cliente. A lógica, também de fácil entendimento, consiste basicamente da verificação do recebimento de sinal dos sensores nas portas do Arduino, para então o programa principal tomar decisões baseadas em lógica condicional (if e else), que verifica o estado do sensor de acordo com o nível da água no reservatório e define se o led correspondente deve acender ou apagar. Assim, com este projeto tem – se um ótimo e barato sistema de monitoramento de 11 Disponível em: http://www.arduinoecia.com.br/2014/07/arduino-sensor-de-nivel-de-liquidos.html 46 Nível de água em reservatório, residencial. 3.3 – Acionamento via infravermelho. Tecnologia umpouco mais antiga, porém ainda muito usual e prática, o infravermelho tem ganhado várias aplicações nos mais variados projetos. A famosa tecnologia por trás das TV’s de controle remoto, veio sendo desenvolvida e explorada para diversos fins e a automação residencial não ficou de fora. Muitos são os dispositivos desenvolvidos para se trabalhar com IR e escolher entre eles é uma tarefa para o profissional de automação, que dentre outros fatores, certamente irá escolher aquele que mais atende ás necessidades do projeto. Uma boa aplicação para os sensores infravermelho em uma residência, é para a detecção da presença e movimento de animais e pessoas em um cômodo, por exemplo. Essa aplicação pode ser interessante para se ter melhor controle de entrada e de saída em uma propriedade, por meio da criação de um alarme que quando detecta o movimento de pessoas ou animais pelo sensor, dispara um aviso luminoso ou até mesmo sonoro. É uma boa aplicação para um sistema de automação que visa aumentar a segurança em um ambiente. Pode-se pensar então que um projeto de um sistema automático que visa aumentar a segurança, deve custar não menos que uma boa quantia de dinheiro, e que poucos poderiam pagar, porém o exemplo de projeto a ser apresentado neste trabalho, tem por um dos principais objetivos provar o contrário. Visa provar o quanto se pode criar soluções simples e de baixo custo, através do conhecimento e do bom uso de dispositivos baratos, confiáveis e eficazes. 3.3.1 – Alarme com sensor Infravermelho PIR. Neste exemplo prático de projeto, é criado um circuito de alarme sonoro e visual, utilizando o sensor PIR. O sensor PIR (Passive InfraRed sensor) é um sensor eletrônico que mede a luz infravermelha irradiada de objetos. O sensor PIR também é conhecido como sensor de presença ou sensor de movimentos, e ao conectá-lo ao Arduino é possível controla – ló e disparar diversas ações ao detectar movimentos. Este sensor já é bem conhecido nas instalações residenciais. Em projetos de iluminação convencional, este sensor é instalado em pontos de luz de um 47 ambiente, para que quando uma pessoa entre, seus movimentos sejam detectados, fazendo com que este envie sinais para o acendimento da lâmpada, que deverá ficar acesa pelo tempo pré programado pelo usuário. É um sensor bem simples de se instalar e seu baixo custo é um grande atrativo para o projeto. Sua simplicidade pode ser vista conforme mostrada na figura 10. Figura 10 – Sensor PIR.12 Este sensor possui controle de sensibilidade e controle de tempo em que ficará ligado, o que torna o projeto bastante flexível e adaptável a diversas condições de uso. O projeto em questão conectará o sensor ao Arduino e pode ser alojado nas entradas de ambientes dentro de casa, ficando a escolha da localização, a critério do cliente. Neste exemplo o sistema terá como saídas um Led e uma sirene, ou seja, ao envio de sinal do sensor ao Arduino, este ativará as portas as quais se encontram conectados os dispositivos de sinalização sonora e luminosa. O circuito simples desse sistema pode ser visto como ilustrado e melhor esclarecido na figura 11, retirada de um site criado para ensinar como elaborar circuitos protótipos para projetos diversos com o Arduino. 12 Disponível em: http://www.filipeflop.com/pd-6b901-sensor-de-movimento-presenca-pir.html 48 Figura 11 – Circuito de alarme com sensor PIR.13 Como a maioria dos sensores do tipo, este possui três pinos de ligação: Positivo (5V), negativo (GND) e Entrada (IN), que é o pino que se conectará com a porta de controle do microcontrolador Arduino. São mostradas também no circuito, a ligação do Led e do Buzzer (Sirene), montados na placa de prototipagem como um exemplo. No entanto, como já mencionado, a real localização do circuito na residência, fica a critério do profissional integrador de automação e do cliente, que escolherá em quais partes da casa instalar, desde de que para tal, sejam respeitadas ainda as especificações técnicas e limites de cada componente. Conforme pesquisado nas especificações técnicas do sensor, este apresenta limitações quanto a sensibilidade e alcance de detecção. O resultado de pesquisa feita com base na experiência de aplicações desenvolvidas por alguns usuários, aponta que o sensor apresenta total eficiência dentro de um limite de alcance de detecção de aproximadamente 7 (sete) metros de distância. É um limite considerado bom, para o uso de detecção de presença e movimento em portas de uma casa, por exemplo. 13 Disponível em: http://www.comofazerascoisas.com.br/como-fazer-um-alarme-com-arduino-sensor-de-movimentos- pir.html 49 Por fim a programação do Arduino feita para esse sistema é a mais simples possível e bastante parecida com a dos projetos anteriores, consistindo basicamente de declaração das portas de entrada e saídas, correspondentes ao sensor, ao Led e a sirene; verificação de valores recebidos nas portas de entrada para a ativação ou desativação das portas de saída; E a execução dos comandos. Por isso não será abordado aqui mais a fundo a análise da programação. Com estes exemplos de projetos apresentados, pode-se ter uma casa bem mais funcional, em termos de praticidade nas realizações das tarefas, economia de tempo, financeira e segurança. É certo que só estes exemplos implantados em uma residência, por si só, não tornam uma casa automatizada, porém, esses projetos mostram algumas das diversas possibilidades interessantes e de baixo custo que os sistemas de automação podem trazer para o ambiente residencial e como podem torná-lo mais inteligentes. É interessante ressaltar também, que alguns projetos podem ser integrados, utilizando-se um só Arduino, o que agrega benefícios ao fator economia tão mencionado. O Arduino, assim como outros controladores mais robustos, podem rodar mais de um programa dentro do mesmo sketch, cabendo ao profissional com um bom conhecimento da programação, aplica-lo, a fim de evitar o desperdício de portas de comunicação, restantes de um projeto em uma placa instalada no quadro de automação. Esta solução evita que se use uma placa pra cada projeto, o que além de encarecê-lo, o tornaria um pouco mais trabalhoso. Todos os módulos utilizados são confiáveis e possuem aprovação não só dos órgãos competentes á área, mas como de profissionais dedicados a realizarem testes e até mesmo projetos, aonde se testa os limites de cada componente, fazendo com que sua utilização traga sempre resultados positivos, mediante ao uso correto conforme especificações. O custo, uma das variáveis mais importantes para determinar a escolha de dispositivos, é também neste caso de alta aprovação, pois tratam – se de componentes simples e atualmente fabricados em larga escala, para atender a crescente demanda por projetos diversos de eletrônica e automação. Por isso, este assunto tão importante para o desenvolvimento de qualquer projeto, será melhor tratado no capítulo que segue. 50 4. CAPÍTULO XV – LEVANTAMENTO DE CUSTOS Quando se apresenta soluções diversas para aplicações práticas de projetos julgados econômicos, um dos fatores que não se pode deixar de falar, nem que seja para uma breve passada de informações, é o custo que vai ser atribuído. A informação dos preços a serem pagos pelo cliente e o benefício do retorno de investimento que ele terá, é realmente um fator decisivo para se fechar um negócio, com a certeza de que este é realmente bom. Em um país como o Brasil, onde a economia não anda tão boa e uma crise traz tanta preocupação, arriscar em um investimento de aquisição
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