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Universidade Paulista Automação Residencial SÃO PAULO 2019 Universidade Paulista AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL Ariel Robert C601DD1 Daniel Andrade C562351 Denis Raineri C59ADF0 Manoel Alan C63JJC8 SÃO PAULO 2019 BANCA EXAMINADORA ________________________________________ Prof. Marcelo Aparecido Carlos Titulação: Mestre ________________________________________ Prof. Roberto Pereira Titulação: Especialista ________________________________________ Prof. Luiz Roberto Forcan Titulação: Especialista RESUMO Domótica é a área do conhecimento voltada ao desenvolvimento de soluções de automação residencial para dispor, aos seus usuários, maior conforto e segurança e praticidade no dia-dia. A origem do termo domótica vem da junção das palavras Domus, que em latim significa residência; e robótica, área da mecatrônica que utiliza os conceitos de robótica, eletroeletrônica e programação, para o desenvolvimento de soluções de automação residencial. A automação residencial também conhecida como “casa inteligente” surgiu com a automatização de tarefas simples do nosso cotidiano doméstico e a necessidade de se ter mais agilidade e ganho de tempo nas tarefas do nosso cotidiano, mais hoje vai muito além das tarefas domésticas e tem como apelo social, é prover a acessibilidade a atividades e equipamentos aos portadores de necessidades especiais que, anteriormente, dependeriam da intervenção de outras pessoas, junto vem outro fator determinante que é a segurança que a automação traz para as residências e seus donos, tendo controle total e em tempo integral de sua residência. Tais soluções normalmente são compostas por um hardware de controle, responsável pelo monitoramento de sensores e acionamento de dispositivos, e um software de gerenciamento do sistema, que dispõe de funcionalidades básicas de cadastramento de dispositivos, monitoramento de eventos e execução de comandos. Este projeto se propõe a desenvolver um protótipo de um sistema de domótica de baixo custo composto por um hardware de controle que se comunica com um computador através de interface paralela, um software de gerenciamento, com acesso através da Internet e com suporte a dispositivos móveis, e uma maquete de demonstração. Este protótipo também tem o objetivo de demonstrar à viabilidade de soluções de baixo custo, democratizando o acesso a automação residencial Palavras chave: Domótica, Automação residencial, Soluções de Baixo Custo. ABSTRACT Home automation is the area of knowledge focused on the development of residential automation solutions to offer its users greater comfort and safety and day- to-day practicality. The origin of the term Home Automation comes from the junction of the words Domus, which in Latin means residence; and robotics, an area of mechatronics that uses the concepts of robotics, electronics and programming, for the development of residential automation solutions. The home automation also known as "smart house" came about with the automation of simple tasks of our daily household and the need to have more agility and gain time in the tasks of our daily life, but today goes much beyond the domestic tasks and has as social appeal, is to provide accessibility to activities and equipment for people with special needs that previously would depend on the intervention of other people, along comes another determining factor that is the security that automation brings to the homes and their owners, having full control and full time residence. Such solutions typically consist of control hardware, which is responsible for monitoring sensors and triggering devices, and system management software, which has basic device enrollment, event monitoring, and command execution capabilities. This project proposes to develop a prototype of a low-cost home automation system composed of control hardware that communicates with a computer through a parallel interface, management software, with access through the Internet and with support for mobile devices, and a demonstration model. This prototype also aims to demonstrate the feasibility of low cost solutions, democratizing access to residential automation Keywords: Domotics, Home Automation, Low Cost Solutions. AGRADECIMENTOS A Deus e por ter nos presenteado com cada dia de vida e saúde. Aos nossos familiares que de toda forma possível nos apoiaram nessa difícil jornada de estudos até a conclusão desta obra, deixamos os agradecimentos também aos colegas, amigos ou companheiros de estudos e profissão que ganhamos no decorrer deste tempo e que nos deram suporte. Deixamos nossos agradecimentos aos Coordenadores, Professores e Mestres da instituição pela dedicação e esforço ao lecionarem o ensino abordado em cada matéria e suprir as necessidades e dúvidas postas no decorrer do curso. E especialmente por este trabalho, agradecemos o Professor Marcelo Aparecido Carlos – Mestre formado em Engenharia Da Informação pelo acompanhamento e apoio. SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO. .......................................................................................................... 13 1.1 OBJETIVOS ............................................................................................................... 14 1.1.1 Objetivo geral. ......................................................................................................... 14 1.1.2 Objetivos específicos............................................................................................... 14 1.2 PROBLEMA. .............................................................................................................. 15 1.3 JUSTIFICATIVA ......................................................................................................... 17 2. DESENVOLVIMENTO. ............................................................................................. 18 2.1 – METODOLOGIA DE PESQUISA. ........................................................................... 18 2.2 REFERÊNCIAL TEÓRICO ......................................................................................... 18 2.2.1 – Automação Residencial ........................................................................................ 18 2.2.2 - Domótica. .............................................................................................................. 19 2.3 – AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL. ............................................................................... 21 2.3.1 – Elementos Básicos da Automação Residencial. ................................................... 20 2.3.2 – Protocolos de Automação. ................................................................................... 23 2.3.3 – Protocolos de Automação Powerline .................................................................... 23 2.4 – METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO ........................................................... 242.4.1 – Sistema Android. .................................................................................................. 24 2.4.2 – A plataforma de desenvolvimento do sistema....................................................... 24 2.4.3 – Itens utilizados na plataforma. .............................................................................. 25 2.4.4 – Interface de Design. ............................................................................................. 26 2.5 – DIAGRAMAS DE CASO DE USO. ......................................................................... 28 2.5.1 - Objetivo. ................................................................................................................ 28 2.5.2 - Ator. ...................................................................................................................... 28 2.5.3 – Caso de uso. ........................................................................................................ 28 2.5.4 - Diagrama. ............................................................................................................. 29 2.5.5 - Descrição. ............................................................................................................. 29 2.6 – DIAGRAMAS DE CLASSE. .................................................................................... 31 2.6.1 - Objetivo. ................................................................................................................ 31 2.6.2 - Diagrama. ............................................................................................................. 31 2.7 – DIAGRAMAS DE SEQUÊNCIA. ............................................................................. 32 2.7.1 - Objetivo. ................................................................................................................ 32 2.7.2 - Diagrama. ............................................................................................................. 32 2.8 – HARDWARE. .......................................................................................................... 32 2.8.1 - Relé. ..................................................................................................................... 32 2.8.2 – Motor de Passo. ................................................................................................... 33 2.8.3 – Aplicação com Arduino. ........................................................................................ 34 2.8.4 – Código com Arduino. ............................................................................................ 36 2.8.5 – Porta da Maquete ................................................................................................. 36 2.8.6 – Arduino Mega 2560 .............................................................................................. 37 2.8.7 – Módulo Wi-Fi ........................................................................................................ 40 2.8.8 – Módulo Bluetooth ................................................................................................. 42 2.8.9 – Proteus ................................................................................................................. 43 3 - CONCLUSÕES ........................................................................................................... 47 4 - TRABALHOS FUTUROS ........................................................................................... 48 5 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 49 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Mercado de automação residencial em 2015 – Comparativo. ................. 16 Figura 2 - Áreas da Domótica. ....................................................................................... 20 Figura 3 - Exemplo da comunicação dos elementos básicos da AR......................... 23 Figura 4 - Tela de desenvolvimento do Layout (Design) ............................................ 25 Figura 5 - Tela de desenvolvimento da parte lógica (Blocos). ................................... 25 Figura 6 - Telas de conexão e Login. ........................................................................... 26 Figura 7 - Telas de cadastro do telefone e escolha do cômodo. ............................... 27 Figura 8 - Tela de escolha do dispositivo e alteração do estado. .............................. 27 Figura 9 - Ator .................................................................................................................. 28 Figura 10 - Caso de Uso. ............................................................................................... 28 Figura 11 - Diagrama de caso de uso ........................................................................... 29 Figura 12 - Diagrama de Classe. ................................................................................... 31 Figura 13 - Diagrama de Sequência. ................................................................................ 32 Figura 14 - Placa de Relés. ............................................................................................ 33 Figura 15 - 1/1000 rd significa apenas 5cm, a 200 metros de distância. .................. 34 Figura 16 - ........................................................................................................................ 35 Figura 17 - Código com Arduíno .................................................................................... 36 Figura 18 - Portão Basculante e Motor de Passo. ....................................................... 37 Figura 19 - Arduino UNO ................................................................................................ 38 Figura 20 - Pinagem Atmega 328. ................................................................................. 39 Figura 21 - Módulo Wi-fi. ................................................................................................ 41 Figura 22 - Conexão com o módulo de Wi-fi. ............................................................... 42 Figura 23 - O circuito completo. ..................................................................................... 43 Figura 24 - O processador no Arduíno Uno. ................................................................ 44 Figura 25 - As conexões entre o Arduíno, os relés e os componentes ..................... 45 Figura 26 - Os LEDS, simulando todos os componentes. .......................................... 45 Figura 27 - As conexões com as portas do Arduíno. .................................................. 46 Figura 28 – As conexões com as portas do Arduíno .........................................................47 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS RP Reconhecimento de Padrões USB Universal Serial Bus IP Internet Protocol VGA Video Graphics Array LED Light Emitting Diode TCP Transmission Control Protocol UDP User Datagram Protocol CPU Central Processing Unit PWR Power RAM Random-Access Memory ROM Read Only Memory PWM Pulse Width Modulation SPI Serial Peripheral Interface IDE Integrated Development Environment EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory ASP Active Server Pages SQL Structured Query Language XML eXtensible Markup Languag LINQ Language Integrated Query CLR Common Language Runtime IIS Internet Information Services 13 1 - INTRODUÇÃO A automação residencial também conhecida como “casa inteligente” surgiucom a automatização de tarefas simples do nosso cotidiano doméstico e a necessidade de se ter mais agilidade e ganho de tempo nas tarefas do nosso cotidiano, sendo impulsionada pela crescente integração e crescimento da tecnologia dos dispositivos gerados na automação industrial. Em outras palavras, Muratori especifica que “automação residencial é a integração dos diversos sistemas existentes em um lar. A ideia é tornar o controle e utilização da casa mais simples e eficiente”. O número de dispositivos e tecnologias empregadas ao modelo de negócio residencial cresceu significativamente nos últimos anos, possibilitando o desenvolvimento de produtos e serviços baseados no esforço de integração e centralização de controle (WELLS, 2009). Atualmente é possível compor sistemas para automação residencial com bom nível de controle, intermediado por sistemas embarcados cada vez mais poderosos, com acesso remoto via internet ou via sistema de telefonia móvel. Com a crescente popularização de smartphones, é cada vez mais estimulante à criação de aplicativos, através de ferramentas acessíveis ao usuário, para se controlar os processos residenciais sem a necessidade da utilização de um navegador para abertura de uma Web Page. Além disso, a integração entre os processos a serem controlados e o aproveitamento total da central de automação, em questão de capacidade do sistema, são fatores importantes a serem considerados, visto que é necessária apenas uma central para controlar várias aplicações, o que determina um melhor custo-benefício do que implementá-las separadamente. Com o grande crescimento que a automação Residencial vem atingindo no mercado se espera que conforme aconteceu uma revolução na vida das pessoas com a chegada dos PCs (Personal Computer), é possível 14 que ocorra essa revolução nas residências com a chegada das casas inteligentes através da automação residencial. 1.1 - OBJETIVOS 1.1.1 - Objetivo geral Aproveitando a popularização dos smartphones e tablets e as facilidades a eles agregadas, como acesso à internet e suporte de aplicativos, o objetivo do projeto é o controle de processos residenciais, tais como: iluminação e alarme, com baixo custo de implementação, por meio de dispositivos móveis que utilizem o sistema operacional Android. O sistema em questão tem como principal vantagem o acesso livre do usuário a hardware e software, permitindo a modularização do projeto que atendam a uma necessidade específica. Tal característica foi aproveitada no projeto com a criação de um aplicativo, através de uma ferramenta de fácil acesso ao usuário, o App Inventor, que, em comunicação com uma plataforma de hardware e atuadores, controle determinados processos de uma residência, de acordo com as necessidades do habitante. 1.1.2 – Objetivos Específicos O objetivo específico do trabalho tem como finalidade: Desenvolver toda a estrutura elétrica do Hardware para ativação dos Sensores, Desenvolver estrutura elétrica para acionamento dos Sensores através do Hardware, Desenvolvimento do Software com a App Inventor para gerenciamento do projeto, 15 Automatização das atividades corriqueiras do dia-dia para atender as tarefas, Realizar a automatização com baixo custo benefício, Aumentar a segurança Residencial através do aplicativo e seus sensores, Realizar a demonstração do projeto através de uma maquete, 1.2 - PROBLEMA Conforme pesquisas realizadas através do mercado o principal fator e determinante que tem influenciado no não crescimento da automação residencial é a questão dos valores elevados para a implementação do projeto nas residências. Para o economista Marcelo Barros, “Vale mais a pena investir no que é essencial para vender um imóvel. Hoje dificilmente um investimento em automação vai aumentar o preço do imóvel. Quando o imóvel usado está bem conservado tem um valor intrínseco. Se você gastar entre R$ 30 mil e R$ 40 mil em automação, dificilmente esse valor vai transferir para o preço do imóvel. Ou seja, hoje está valendo mais manter o imóvel bem conservado e em bom estado, com uma pintura boa. Não é o momento de investir em automação”, reforça o economista Marcelo Barros. Com esses fatores a automação residencial está ligada ao mercado imobiliário e como ele se encontra perante o mercado internacional, com isso a automação residencial sofre variações de implementação, seja, na implementação de uma residência em construção ou nas que já estão prontas e precisaria apenas de adaptações para a instalação dos recursos da automação residencial. Segundo afirma a advogada Daniele Akamine, diretora da Akamines Negócios Imobiliários “Se o mercado estivesse em uma situação normal de crédito, a automação ajudaria a valorizar”. Mas hoje, com as vendas diminuindo, é mais complicado conseguir vender mais caro. Recentemente publicada no site da Aureside, uma pesquisa mostra um 16 comparativo entre o total de residências e residências com automação em 6 países – Estados Unidos, Alemanha, Reino Unido, Espanha, França e Brasil – onde mostra que do total de 63 milhões de residências brasileiras, apenas 300 mil, ou seja, menos de 0,5%, possuem algum tipo de automação e que 1,9 milhões, ou seja, 3% são residências em potencial: Figura 1 – Mercado de automação residencial em 2015 – Comparativo. Fonte: AURESIDE (2015) Fonte: AURESIDE - http://www.aureside.org.br/_pdf/potencial_2015.pdf Um dos principais obstáculos seria o valor de implantação. As pessoas ainda não se deram conta de que o seu custo caiu bastante e que este se paga em curto prazo com a economia energética gerada, como foi observado no estudo apresentado. Outro obstáculo, a falta de comunicação entre os dispositivos existentes, este sim é o maior a ser superado. Enquanto todos os dispositivos não conversarem entre si, tornando o seu uso menos confuso e mais atrativo, os usuários não se interessarão pela tecnologia. 17 1.3 - JUSTIFICATIVA A automação residencial tem se tornado cada vez mais comum. Dados divulgados pela Associação Brasileira de Automação Residencial (Aureside) apontam que o mercado global de automação tem projeção de crescimento anual de 11,36% entre 2014 e 2020. Estima-se que, no Brasil, 300 mil casas possuem automação. Porém, o potencial atual para fornecimento de equipamentos para 1,8 milhão de casas. Mas mesmo com esse crescimento da automação residencial ela ainda é uma área nova no nosso mercado imobiliário no Brasil e seu custo elevado é um dos fatores para a automação residência ser considerada item de luxo perante as pessoas situadas nas camadas de menor poder aquisitivo “Tudo depende do grau de integração desejado pelo morador”, explica Muratori. Ele conta que instalações simples de automação custam a partir de R$ 3 mil. “Um indicador normalmente utilizado pelo mercado é estimar o preço de um projeto de automação em algo que varia de 3% a 5% do valor do imóvel para sistemas com maior grau de tecnologia”, conta ele. Um dos aspectos positivos do investimento é que a automação traz conforto, segurança e praticidade aos usuários. O projeto de automação pode ser feito de duas maneiras, uma delas é incorporar os aparelhos necessários na casa durante a construção. A outra é converter uma casa já construída. São instaladas câmeras, lâmpadas especiais, áudio e vídeo, projetores e muito mais. Em um futuro próximo, a automação residencialserá essencial na economia de energia, na praticidade da vida das pessoas, na segurança de seus imóveis e na valorização do seu bem material. Para quem preza por conforto e gosta de novas tecnologias, a automação residencial é indispensável. 18 2 – DESENVOLVIMENTO 2.1 - METODOLOGIA DE PESQUISA O Trabalho desenvolvido em questão é elaborado a partir da metodologia de abordagem qualitativa denominada pesquisa exploratória a fim de buscarmos eficácia no entendimento do assunto e a elaboração de todos os tópicos com propriedade. Segundo Armando Piovesan (1995, p, 321): “Define-se pesquisa exploratória, na qualidade de parte integrante da pesquisa principal, como o estudo preliminar realizado com a finalidade de melhor adequar o instrumento de medida à realidade que se pretende conhecer. ” conta ele. A pesquisa exploratória é aquela que permite buscarmos em diversos meios de informação a clareza em um assunto em geral ou em determinada variável, essa vem para nos dar conhecimento de outras ideias e tirando-nos de um pensamento totalmente leigo. A abordagem qualitativa nos leva a analisar em diversos pontos e tipos de dados o assunto com ênfase a explanar o caso e aplica-lo no trabalho, este método de pesquisa não busca enumerar ou medir os casos estudados, mas sim analisar os resultados de determinadas questões. Em conjunto foram utilizados alguns meios de pesquisa como livros, artigos, apostilas, sites de pesquisas (que devem estar contidos no tópico de referências) e em aulas práticas tirando dúvidas com colegas de sala e professores. 2.2 - REFERÊNCIAL TEÓRICO 2.2.1 - Automação Residencial De forma simples, a automação residencial pode ser definida como um produto ou serviço que proporcione alguma funcionalidade de ação ou mensagem ao ambiente residencial sem necessidade humana direta (RILEY, 2012). O papel da 19 automação residencial não se restringe apenas a atender necessidades de conforto dos residentes, embora este seja o papel principal do mercado. Por exemplo, é impossível obter benefícios da redução de gastos com energia elétrica, por meio de monitoramento. De acordo com Wells (2009), o conceito de Digital Home Integration Techology (DHTI) representa a integração, no ambiente residencial, dos subsistemas de distribuição de dados digitais (como audiovisual), equipamentos, utilitários e outras tecnologias. A automação residencial foi baseada na industrial, mas devido ao fato de que o custo de implantação inicialmente era muito elevado e a escala de produção reduzida, primeiramente foi dada maior prioridade ao que traria retorno imediato-a indústria. Em seguida veio o comércio, os edifícios comerciais para finalmente chegarem aos edifícios residenciais e às residências propriamente ditas. A domótica surgiu upara controlar a iluminação, as condições climáticas, a segurança e fazer a interligação entre os três elementos. De acordo com Galhart (2012), a partir de 1890, surge o primeiro tipo de dimer ou dispositivo eletromecânico utilizado para o controle de intensidade da corrente elétrica dos instrumentos de iluminação, que se tornou ineficiente e perigoso, pela produção de cloro gasoso. Ainda segundo o autor, no início do século XX surgem os primeiros equipamentos redutores de corrente elétrica. A partir de 1960, segundo Engdahl (1997-2000), surgem os primeiros dimers eletrônicos e somente a partir de 1970 é que eles ficam disponíveis para o mercado. Hoje, o controle da luz pode ser feito à distância, com um toque na tela do telefone ou ainda automaticamente com a programação de um sistema inteligente. 2.2.2 - Domótica O termo domótica surgiu da junção da palavra domus (casa em latim) com a palavra robótica (controle automatizado de algo). Também conhecida como automação residencial ou automação doméstica, é uma tecnologia recente responsável pela gestão dos recursos habitacionais e representa o que vem sendo chamado de smart home ou residência inteligente, casa automática, casa inteligente e também retrofitting. 20 Figura 2 – Áreas da Domótica. Fonte: FERREIRA (2010) Esta tecnologia não tem limites precisos e estáveis, é o resultado da concentração de três dimensões que estão em contínua evolução: tecnológica, social e econômica. Tecnológica por se basear em sistemas eletrônicos. Social por buscar melhor qualidade de vida, comunicação, conforto e segurança para os seus usuários. Econômica porque a inserção nas residências dos equipamentos abre um enorme mercado de consumo. Prudente (2011, p. 1) defende que “A automação predial e residencial, em poucas palavras, pretende identificar todas aquelas tecnologias que permitem tornar automática uma série de operações no interior de um prédio ou habitação”. Estes três importantes itens são fundamentais para a vida das pessoas e para tanto a: Automação Residencial promove a integração e racionalização dos diversos sistemas existentes em uma residência, relacionados à comunicação, transmissão de dados, iluminação, climatização, segurança, áudio e vídeo, irrigação de jardim, aspiração central, gerando como benefícios: economia, conforto e segurança. 21 Possibilita ainda uma flexibilidade muito grande com relação à múltipla função de uma simples tomada, que pode ser para telefone e num momento seguinte funcionar como ponto de rede, sem a necessidade de passar novos cabos (AURESIDE, 2005). Segundo Messias (2007, p. 3): Uma edificação “inteligente” deve promover aos usuários conforto, segurança e, sobretudo economia, tanto em custos diretos (água, luz, telefone etc.), quanto em custos indiretos, tais como manutenção e operação, além de possuir na sua concepção todos os estudos de questões ambientais, sustentabilidade, aproveitamento de recursos e de tecnologias de forma eficiente. Para José Cândido Forti, presidente, em 2006, da Associação Brasileira de Automação Residencial: Transformar casas inconfortáveis refúgios capazes de oferecer segurança e economia de custos é uma desvantagens da automação residencial. O que antes parecia ser um privilégio apenas da família Jetson, começa a se difundir nos empreendimentos residenciais de alto nível, transformando o conceito de casa do futuro em casa do presente (AURESIDEapud TEZA, 2002, p. 23). Para José Roberto Muratori, membro fundador e diretor executivo da Associação Brasileira de Automação Residencial, o segredo para um projeto bem- sucedido de automação residencial é humanizá-lo, isto é, o projeto deverá corresponder exatamente ao que é dele esperado por seus usuários, transmitindo confiabilidade e privilegiando o uso intuitivo dos equipamentos utilizados. 2.3 – AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL 2.3.1 - Elementos Básicos da Automação Residencial Os Controladores controlam os dispositivos automatizados (sensores e atuadores). Monitora as informações dos sensores, podendo enviar comandos para 22 que um atuador ative ou desative algum equipamento. De maneira geral podem possuir interfaces independentes, na forma de um controle remoto, ou serem sofisticadas centrais de automação (ALMEIDA, 2009). Os Sensores são os dispositivos que detectam estímulos, medem e monitoram grandezas físicas e eventos (temperatura, umidades etc.), convertendo- as em um valor passível de manipulação por sistemas computacionais. São eles que encaminham as informações aos controladores sobre algum evento, para que os controladores possam enviar os comandos adequados para os atuadores (ALMEIDA, 2009). Os Atuadoressão dispositivos eletromecânicos, que recebem os comandos do sistema de automação e ativam os equipamentos automatizados. São os módulos de acionamento ligados entre a rede elétrica e os equipamentos (ALMEIDA, 2009). Existem atuadores para portas, janelas, persianas, fechadura magnética, sirene, indicadores luminosos, etc. O Barramento é o meio físico responsável pelo transporte das informações (rede elétrica, telefônica etc.) (CASADOMO, 2010). As Interfaces são os dispositivos ou mecanismos (navegador de internet, celular, painéis, controles remotos, interruptores etc.) que permitem ao usuário visualizar as informações e interagir com o sistema de automação (CASADOMO, 2010). A Figura 3 apresenta um exemplo de como os elementos básicos se comunicam. A esquerda dessa figura está os sensores, que encaminham as informações sobre algum evento (chuva, vento etc.) aos controladores (ao centro) e estes por sua vez acionam os ativadores (à direita), de acordo com a tarefa programada para aquele evento, como por exemplo, abrir à persiana. As interfaces (interruptores, celular etc.) se conectam diretamente aos controladores de forma a permitir que o usuário visualize as informações e interaja com o sistema de automação. Diversos barramentos podem ser utilizados na comunicação entre os elementos básicos (rede elétrica, telefônica etc.). 23 Figura 3. Exemplo da comunicação dos elementos básicos da AR. Fonte: CASADOMO, 2010. 2.3.2 - Protocolos de automação De acordo com Zanon (s.d.), existem 3 tipos de protocolos de automação:Powerline, Sem-fio e Híbrido. 2.3.3 - Protocolo de automação powerline Voltado especificamente para residências, é baseado na tecnologia Power Line. Communication ou somente PLC, que utiliza a própria rede elétrica para fazer transmissão dos comandos ou pacote de dados. Essa tecnologia surgiu da necessidade de controlar a iluminação e eletrodoméstico sem diversos pontos, sem a necessidade de outro cabeamento e acaba viabilizando os projetos de retrofitting. Sua ampla utilização como rede de acesso é comprometida devido ao alto nível de ruídos e a perda significativa de sinal PLC ao longo dos cabos e transformadores. Porém, a aplicação desta tecnologia torna-se bastante viável em um ambiente doméstico onde o ruído pode ser controlado e as distâncias dos cabos não são tão grandes. Bolzani (2004, p. 141) destaca alguns benefícios deste sistema: Alta velocidade em transmissão de dados em qualquer tomada da casa. 24 Conexão com a internet. Compatibilidade através de gateways com outras relevantes soluções de rede. Compatibilidade com o sistema telefônico. Gerenciamento central de todos os dispositivos. Instalação rápida e segura. Sem cabeamento adicional. 2.4 – METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO 2.4.1 - Sistema Android Nosso aplicativo é desenvolvido na Plataforma MIT App Inventor 2, ele será usado como um controle total e remoto da residência. Para isso, utilizaremos duas interfaces: Design e Bloco. A interface de Design será a responsável por exibir na tela do smartphone o menu, botões, imagens ou tudo que é visível no aplicativo, a interface de Bloco executará a parte lógica, tudo aquilo que é invisível e essencial em um app, atribuindo as respectivas funções a cada botão presente. 2.4.2 - A Plataforma de desenvolvimento do sistema MIT App Inventor 2 é um ambiente intuitivo de programação visual que permite qualquer um, a construir aplicativos totalmente funcionais para smartphones e tablets. Novos usuários podem ter seu primeiro aplicativo funcionando em alguns minutos. Além disso, suas ferramentas baseadas em blocos facilitam a criação de aplicativos complexos e de alto impacto em um tempo significativamente menor do que os ambientes tradicionais de programação. O projeto MIT App Inventor procura democratizar o desenvolvimento de software, fazendo com que todas as pessoas, principalmente os jovens, parem de apenas consumir tecnologia para também começarem a criá-la. 25 Figura 4 - Tela de desenvolvimento do layout (Design). Fonte: Própria (2018) Figura 5 – Tela de desenvolvimento da parte lógica (Blocos). Fonte: Própria (2018) 2.4.3 - Itens utilizados da plataforma Botão – Em cada tela utilizamos pelo menos um botão para que o usuário pudesse interagir no app. Imagem – Utilizamos as imagens para facilitar o entendimento das telas. Notificador – Para notificar o usuário em cada alteração de estado dos dispositivos, falta de conexão ou erro de login e senha. Caixa de senha – Campo onde o usuário deve inserir a senha de acesso. Caixa de texto – Campo onde deve entrar os textos digitados pelo usuário na tela 26 de login e na tela de cadastro do telefone de notificação. Caixas Organizacionais – São utilizadas para organizar os demais itens da forma em que desejamos, as caixas são em Horizontal, Vertical ou em tabela. Tocador – Chamamos este item quando desejamos executar a vibração do dispositivo, nele podemos controlar o tempo de execução. TinyDB - É um componente invisível que armazena dados no nosso aplicativo, um tradicional banco de dados. Bluetooth – componente utilizado para efetuarmos a comunicação entre aplicativo e Arduino. 2.4.4 - Interface de design As telas abaixo são as iniciais do aplicativo, em uma é feita a comunicação do app com o Arduíno, primeiro procuramos e depois conectamos. A tela seguinte é a de login e senha ou autenticação para entrar no app. Figura 6 – Telas de conexão e login. Fonte: Própria (2018) Na figura abaixo temos a tela de cadastro onde inserimos um número de celular para receber SMS, que deve ser disparado quando existir anormalidade no ambiente do projeto. A tela seguinte é a de escolha do cômodo. 27 Figura 7 – Telas de cadastro do telefone e escolha do cômodo. Fonte: Própria (2018) Por fim, desenvolvemos as telas de escolha do dispositivo que está no cômodo selecionado, e a tela seguinte onde podemos visualizar o estado do dispositivo e altera-lo também. Há, no fim de cada tela temos um ícone que representa a conexão do sistema com o Ardoino, se o mesmo estiver vermelho sabemos que está offline e estando verde online. Figura 8 – Tela de escolha do dispositivo e alteração do estado. Fonte: Própria (2018) 28 2.5 – DIAGRAMAS DE CASO DE USO 2.5.1 - Objetivo O Diagrama de Caso de Uso tem como função estabelecer clareza na comunicação entre o analista e o cliente. Um diagrama desse tipo deve descrever os passos do sistema de forma clara usando atores, elipses, linhas e setas que vai propor ao cliente um fácil entendimento do que vai ou foi desenvolvido, sempre buscando simplificar a comunicação. 2.5.2 - Ator Um ator é usado no sistema como uma pessoa ou uma máquina que deve acionar um caso de uso para realizar uma determinada tarefa. Figura 9: Ator. Fonte: Própria (2018) 2.5.3 - Caso de uso Um caso de uso é representado em forma de uma elipse, o mesmo deve conter um rótulo que identifica o caso e ação ou procedimento que deve ser executado ao receber o comando do ator. Figura 10: Caso de Uso. Fonte: Própria (2018) 29 2.5.4 - Diagrama Figura 11 – Diagrama de caso de uso. Fonte: Própria (2018) 2.5.5 - Descrição - Caso 1 - Logar no sistema - É nesse momento que o ator deve inserir o login e senha para a autenticaçãono sistema. - Caso 2 - Selecionar cômodo da casa – Aqui o Ator deve selecionar o cômodo que ele deseja para acessar os dispositivos. - Caso 3 - Modificar estado do dispositivo – É aqui que o Ator altera o estado dos dispositivos. - Caso 4 - Logoff - Nesse caso o ator pode sair do sistema. - Caso 5 - Sistema envia o comando de modificação para o Arduíno e recebe novo estado - É nesse momento que o sistema faz a troca de informações com o Arduíno. 30 Casos de Uso de dependências - Caso 6 - Cadastro do Telefone – Esse caso é onde contém o contado do Ator, ele cadastra um número de telefone para ser notificado via SMS em caso de anormalidades nos sensores. Atores: Ator1 Pré-Condições: - Ator - Login e senha valida - Software Instalado em um dispositivo Android Pós Condições: - Verificar se o estado do dispositivo foi alterado com sucesso no software. Fluxo de Eventos Fluxo Principal: 1. Efetuar conexão Bluetooth 2. Logar no sistema 3. Selecionar o cômodo da casa desejado 4. Modificar o estado do dispositivo 5. Verificar se o estado do dispositivo foi alterado com sucesso Fluxo Opcional: 1. Efetuar conexão Bluetooth 2. Logar no sistema 3. Clicar no botão de cadastro de telefone para notificação 4. Inserir ou alterar telefone para ser notificado. Fim 31 2.6 – DIAGRAMAS DE CLASSE 2.6.1 – Objetivo O diagrama de classe apresenta a estrutura estática das classes de um sistema onde apresenta as coisas que são gerenciadas pela aplicação modelada, está deve ajudar no trabalho de desenvolvimento em orientação objeto. Cada classe pode conter as suas características e funcionalidades que podem identificá-la como única, ela pode herdar e ser herdada ou pode ser também simplesmente um modelo de interface para novas classes. Quando usamos classes diminuímos o tempo de serviço evitando repetições de tarefas, deixamos o esquema de código mais apresentável e em chuta, podemos aplicar também restrições nos grupos de atores do sistema com mais facilidade. 2.6.2 - Diagrama Figura 12 – Diagrama de Classe. Fonte: Própria (2018) 32 2.7 – DIAGRAMAS DE SEQUÊNCIA 2.7.1 - Objetivo Diagramas de sequência são uma solução bastante usada de modelagem dinâmica. A modelagem dinâmica foca as interações que ocorrem dentro do sistema. Diagramas de sequência incidem especificamente sobre as “linhas da vida” de um objeto e como elas se comunicam com outros objetos para executar uma função antes do término da linha da vida. 2.7.2 - Diagrama Figura 13 – Diagrama de Sequência. Fonte: Própria (2018) 2.8 - HARDWARE 2.8.1 – Relé O relé ou em inglês relay é um componente eletromecânico, em que você consegue ligar e desligar um sinal a partir de outro sinal, sendo que os dois sinais 33 são isolados. Ele possibilita comutar sinais que não se misturam, deixando eles eletricamente isolados um do outro. Em nosso projeto utilizamos o módulo de 4 relés (que permite a ligação de até 4 dispositivos). Os relés são acionados e desacionados de acordo com as instruções do Arduino, fazendo com que seus respectivos componentes sejam ligados e desligados. Figura 14: Placa de Relés. Fonte:ARDUINO E CIA (2018) 2.8.2 - Motor de Passo O que são os motores de passo? Podemos dizer que os motores de passo, assim como os motores comuns, são dispositivos que convertem energia elétrica em energia mecânica disponível na forma de torque. No entanto, os motores de passo possuem algumas características próprias que os diferencia dos motores comuns, a saber: a) os motores de passo funcionam como dispositivos posicionadores, pois podem 34 parar numa posição perfeitamente controlada. b) os motores de passo também podem funcionar como motores de velocidade perfeitamente controlada, sendo energizados numa determinada ordem. Estas características são ainda acrescidas a outras que os tornam ideais para aplicações em informática, eletrônica industrial e de controle, robótica e mecatrônica: a) Eles podem ter seu eixo posicionado em um ângulo proporcional ao número de impulsos de entrada. b) Os erros que ocorrem no posicionamento do seu eixo são muito pequenos e não são cumulativos. Um motor de passo pode ser posicionado com uma precisão de 1 milésimo de radiano tipicamente, conforme sugere a figura abaixo. Figura 15: 1/1000 rd significa apenas 5cm, a 200 metros de distância. Fonte: ARDUINO E CIA (2018) 2.8.3 - Aplicação com Arduino Primeiro, importamos a biblioteca do motor de passo que já está disponível na IDE do Arduino. Em seguida criamos uma variável chamada de “stepsPerRevolution” para definir o numero de passo por volta. Na sequência inicializamos a biblioteca , colocando o numero de passos por volta e definindo as portas que serão usadas na Arduino. Em nosso Setup, apenas definimos a velocidade de acionamento das 35 bobinas do motor. Por fim, dentro de nosso Loop, criamos duas estruturas de repetição, para que elas sirvam como temporizador para nosso motor, fazendo ele rodar em sentido horário e anti-horário. Materias utilizados: - Um Arduino Uno - Um motor de Passo Uniploar - Um Módulo Controlador com Driver ULN 2003 - Jumpers Para conexões - Um Cabo USB para carregar os códigos no Arduino Diagrama de Conexões Figura 16: Conexão Arduino. Fonte: ARDUINO E CIA (2018) A conexão que utilizamos para energizar o motor de passo e controlá-lo através do Arduino. 36 2.8.4 - Código com Arduino Figura 17: Código com Arduíno. Fonte: ARDUINO E CIA (2018) Neste exemplo de código o motor está em constante movimento, girando por 5 segundos no sentido anti-horário, depois por 5 segundos no sentido horário e assim sucessivamente. Utilizamos este código como base para entendermos como dar o comando para iniciar o motor, como definir a direção e o sentido da rotação e também como definir a velocidade de rotação do motor. Depois modificamos isso para se adequar ao nosso projeto. 2.8.5 – Porta da Maquete Adequamos o código ao nosso projeto fazendo com que o motor seja acionado ao receber o comando do aplicativo. Instalamos o motor em nossa maquete colado a uma placa de madeira que representa a porta de nossa garagem. 37 Figura 18: Portão e Motor de Passo. Fonte: Própria (2018) O motor está ligado a saída de um relé que, quando recebe a instrução de acionamento do aplicativo, faz o motor girar no sentido horário por meio segundo, abrindo a porta da garagem, e quando é desacionada executa o mesmo processo no sentido anti-horário para fechá-la. 2.8.6 - Arduino Mega 2560 O Arduino Mega 2560 Compatível é um fantástico microcontrolador capaz de executar as mais diferentes tarefas em conjunto com sensores e módulos eletrônicos, contando um chip Atmel ATmega2560 responsável por todo gerenciamento e processamento de dados do sistema. Por meio de programação do usuário via computador, já que a Placa Mega 2560 conta com porta USB, é possível carregar os códigos e bibliotecas mais variados, isso de acordo com a necessidade do programador, bem como dos sensores que estiverem atuando em conjunto. 38 O que diferencia esse modelo dos demais é a sua ampla capacidade de processamento, com maior poder de memória e diversas portas extras para conexão com sensores,onde estão distribuídas entre saídas digitais e analógicas, mostrando-se ideal para criar projetos de robóticos e de automação residencial. O modelo compatível apresenta as mesmas características e especificações do produzido na Itália, apresentando uma ampla e significativa vantagem que muitos programadores desejam: preço da placa arduino mega, o qual se apresenta bem menor que o modelo italiano, chegando a 30 a 40% do valor. Detalhes físicos da placa Arduino Mega 2560 O Arduino Mega 2560 conta com diversas portas de conexão, incluindo 16 portas analógicas, 54 portas (entradas/saídas) digitais, 4 portas de nível serial (UARTs), além de apresentar 1 cristal oscilador de 16MHz. Por ser um modelo completo e pronto para uso conta com possibilidades de alimentação por meio de plug P4 ou via USB, sem descartar a possibilidade de conexão ICSP. Para facilitar o trabalho do usuário conta com botão RESET integrado na placa, aonde vem a permitir o reinício do processamento dos dados em caso de erro, por exemplo. Figura 19: Arduino Mega 2560. Fonte: ARDUINO E CIA (2018) 39 Alimentação A alimentação do arduino mega pode ser feita de 2 modos, via USB ou por meio de Fonte. Quando utilizado por meio USB deve-se ter maior cuidado com o uso de componentes e sensores externos, isso porque, a corrente das portas USB de computadores e notebooks tendem a ser muito baixas (cerca de 250mA), o que poderia ser pouco se o microcontrolador estivesse alimentando diversos sensores ou servomotores, exemplificativamente. Já a alimentação externa por meio de fontes ou baterias é indicada para proporcionar maiores possibilidades ao programador, lembrando que a seleção da entrada de energia é feita automaticamente pelo Arduino Mega. Por meio do plug P4 é possível oferecer tensões entre 6 a 20 V DC graças ao regulador interno, no entanto é importante observar algumas recomendações, entre elas não fornecer menos que 5V para não deixá-lo instável e nem tensões superiores a 12V, isso porque o regulador pode sobre aquecer e acarretar em graves danos. Figura 20: Pinagem Atmega 328. FONTE: usinainfo (2018) 40 2.8.7 - Módulo Wi-Fi Com o Módulo Wireless ESP8266 você pode conectar o seu Arduino nas redes wireless 802.11 b/g/n, enviando e recebendo dados nos modos AP (Access Point/Ponto de acesso) e STA (Station), e neste tutorial vamos mostrar como configurar esse módulo como web server, enviando dados para um browser. Esse módulo se comunica com o microcontrolador utilizando interface serial e seu firmware pode ser atualizado, se necessário. Possui ainda 2 pinos GPIO (General Purpose Input Output, ou Entrada e Saída de uso geral), permitindo que o módulo seja programado diretamente e a GPIO acionada sem a necessidade de uso de um microcontrolador. Outras características do Módulo Wireless ESP8266: Conexão à redes padrão 802.11 B/G/N Alcance aproximado: 91 metros Tensão de operação: 3.3 VDC Comunicação serial: pinos TX e RX Modos de operação: Cliente, Access Point, Cliente+Access Point Modos de segurança wireless: OPEN/WEP/WPA_PSK/WPA2_PSK/WPA_WPA2_PSK. Suporta comunicação TCP e UDP, com até 5 conexões simultâneas O módulo possui antena embutida e um conector de 8 pinos, além dos leds indicadores de funcionamento (vermelho) e comunicação (azul): 41 Figura 21: Módulo Wi-fi. Fonte: ANDRE CURVELLO (2018). Ligando ao Arduino Na ligação do ESP8266 com o Arduino usamos um resistor de 1K entre o Vcc (3.3V) e o pino CH_PD (Chip Enable). Para o divisor de tensão, utilizamos 2 resistores de 10K, o que diminuiu a tensão do nível de sinal para um valor suficiente para os testes. Os dois push-buttons do circuito serão utilizados para enviar informações à uma página web, utilizando um web server. Os resistores utilizados nos botões também são de 10K. 42 Figura 22: Conexão com o módulo de Wi-fi. Fonte: ANDRE CURVELLO (2018). 2.8.8 - Módulo Bluetooth A comunicação via Bluetooth já é amplamente utilizada, seja quando utilizamos fones de ouvido Bluetooth, ou quando precisamos enviar arquivos de um celular para o outro, por exemplo. No Arduino, é mais uma forma simples e barata de enviar e receber informações remotamente. Neste post, vamos ver como enviar informações de temperatura utilizando módulo bluetooth com Arduino. Nós utilizamos o Módulo Bluetooth HC-05, que trabalha no modo mestre (pode parear com outros dispositivos bluetooth) e escravo (aceita pareamento), para estabelecer a conexão entre o Arduino e o aplicativo, este é o componente necessário para receber os comandos e transmití-los. 43 Figura 23: Módulo Bluetooth. Fonte: FILIPEFLOP (2018) 2.8.9 -Proteus Proteus é uma suíte que agrega o ambiente de simulação de circuitos eletrônicos ISIS e o programa para desenho de circuito impresso Ares professional. O Proteus é um software para simulação de microprocessadores, captura esquemática, e placa de circuito impresso (PCB design). É desenvolvido pela empresa inglesa Labcenter Electronics. O XGameStation Micro Edition foi desenvolvido usando entradas esquemática do Proteus Labcenter e ferramentas de layout de PCB. O Proteus Design Suite combina captura esquemática, simulação SPICE de circuitos, e desenho de PCB para fazer um projeto completo de sistema de eletrônica. Acrescente a isso a capacidade de simular micro-controladores populares e de executar o seu firmware atual, e você tem um pacote que pode reduzir drasticamente o tempo de desenvolvimento, quando comparado com um processo de desenho tradicional. O Proteus Design Suite inclui: ISIS - A ferramenta de rede muito semelhante ao Eagle, mas com a possibilidade de simular CI's programáveis, como Microchip PIC, Atmel, etc. 44 ARES - para os layouts de PCB, a colocação de ponto automático e / ou roteamento pode ser obtido com a importação do esquema do ISIS. Utilizamos o Proteus nas primeiras fases de testes, para simularmos o funcionamento do projeto antes de comprarmos os componentes e montar definitivamente a maquete. Seguem as imagens do circuito final que utilizamos: Figura 24: O circuito completo. FONTE: CIRCUITAR (2018). 45 Figura 25: O processador no Arduino Uno. FONTE: CIRCUITAR (2018). Figura 26: As conexões entre o Arduino, os relés e os componentes. FONTE: CIRCUITAR (2018). 46 Figura 27: Os LEDS, simulando todos os componentes. FONTE: CIRCUITAR (2018). 47 Figura 28: As conexões com as portas do Arduino. FONTE: CIRCUITAR (2018). 3 – CONCLUSÕES A partir dos fatos relatados e resultados expostos, conclui-se que é possível realizar o objetivo deste projeto através dos métodos propostos. No contexto atual do controle de residências através de sistemas embarcados, utilizando microprocessadores como central de automação, o Arduino Uno mostrasse ser uma ferramenta de fácil implementação e com uma boa relação custo-benefício para o 48 controle de alguns processos residenciais, embora limitado em alguns aspectos, como capacidade de processamento de dados e portas de saída disponíveis. Além disso, a utilização do App Inventor para criação de aplicativos mostrou ser uma alternativa viável para aproximar os usuários do sistema operacional Android, que não tem experiência em programação Java, com a criação de aplicativos, área cada vez mais explorada com a popularização de smartphones e tablets. Ademais, a área ligadaa automação residencial está em crescente evolução, e a tendência é a utilização de sistemas mais robustos e com maior capacidade de processamento de dados, integrando o maior número possível de aplicações e fazendo com que o binômio custo-benefício tenha cada vez mais importância. Em linhas gerais pode-se concluir que os benefícios gerados pelo aplicativo com baixo custo de investimentos apontam um cenário de possibilidades que pode ser estendido a outros segmentos, usando sistemas similares, como por exemplo, o setor de saúde: monitoramento de pacientes, de crianças e idosos, adequando-os às necessidades de cada usuário. 4 – TRABALHOS FUTUROS Para trabalhos futuros, sugere-se a utilização de uma ferramenta com mais recursos que o Arduíno Mega 2560, como por exemplo, o Arduíno Mega ADK, é uma placa que se mostra muito interessante e diferenciada por conta de sua integração com o Android. Entre as melhorias futuras possíveis para este projeto, estão: Aperfeiçoar o hardware do módulo de controle possibilitando o controle proporcional com PWM; Aprimorar o sistema permitindo que o usuário final, através de um arquivo de configuração, possa adicionar novos módulos de controle e novos dispositivos com seus estados; Adicionar no banco de dados informações pertinentes ao usuário como: novos cadastros de usuários, logs de eventos, quantidade de tempo que cada dispositivo ficou ligado, horário em que foi ligado e desligado, entre outros; Adicionar um controle de horário permitindo que o usuário configure o horário de acionamento e desligamento automático de cada dispositivo. 49 5 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AURESIDE. Gráfico mostra posição do Brasil no mundo da automação residencial. 2015.Disponível em: <http://www.aureside.org.br/_pdf/potencial_2015.pdf>. Acesso em 12/10/2018 ZANON, Reginaldo. 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Disponível em <https://www.techtudo.com.br/artigos/noticia/2012/04/o-que-e-e-como-usar-o- mysql.html> Acesso em: 20 de junho de 2018. 50 BANZI, Massimo. Primeiros Passos com o Arduino. 1. Ed. São Paulo: Novatec, 2011. BASCONCELLO FILHO, Daniel. O Hardware do Arduino. Disponível em <http://www.robotizando.com.br/curso_arduino_hardware_pg1.php>. Acesso em: 17 de junho de 2018 BEDANI DIXON MORAES, Janaína. Engenharia de Software 2 - Técnicas para levantamento de Requisitos. Disponível em<http://www.devmedia.com.br/engenharia- de-software-2-tecnicas-para- levantamento-de-requisitos/9151>. 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Disponível em: https://www.lucidchart.com/pages/pt/o-que-e-uml ROMERO FROTA QUINDERÉ, Patrick. Casa Inteligente – Um Protótipo de Sistema de Automação Residencial de Baixo Custo. Disponível em < http://www.ffb.edu.br/sites/default/files/tcc-20082-patrick-romero-frota- quindere.pdf >. Acesso em: 12 de outubro de 2013. HENRIQUE DE OLIVEIRA SANTOS, Arthur. Automação Residencial com Arduino - Ligando lâmpada. Disponível em <http://www.reformaai.com/2013/02/ligando-lampada- com-arduino.html>. Acesso em: 23 de julho de 2014 BRUGNARI, Arthur. AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL via WEB. Disponível em <http://www.ppgia.pucpr.br/~laplima/ensino/pfec/concluidos/2010/autores.pdf>. Acesso em: 14 de outubro de 2013 BANZI, Massimo. Primeiros Passos com o Arduino. 1. Ed. São Paulo: Novatec, 2011.
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