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CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO JOÃO EDUARDO DOS SANTOS FERREIRA LUCAS DANIEL COSTA TAVARES APLICAÇÃO DA AUTOMATIZAÇÃO RESIDENCIAL COM UM BAIXO CUSTO, VOLTADA PARA A FACILITAÇÃO DA REALIZAÇÃO DE TAREFAS COTIDIANAS BELO HORIZONTE Novembro de 2019 2 João Eduardo Dos Santos Ferreira Lucas Daniel Costa Tavares APLICAÇÃO DA AUTOMATIZAÇÃO RESIDENCIAL COM UM BAIXO CUSTO, VOLTADA PARA A FACILITAÇÃO DA REALIZAÇÃO DE TAREFAS COTIDIANAS Proposta para Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia de Controle e Automação, do Instituto De Ciências Exatas do Centro Universitário Newton Paiva, como requisito parcial para obtenção do título de graduação em Engenharia de Controle e Automação. Área de concentração: Instituto de Ciências Exatas. Orientador: Prof. Ana Carolina Silva de Aquino. BELO HORIZONTE Novembro de 2019 3 João Eduardo Dos Santos Ferreira Lucas Daniel Costa Tavares APLICAÇÃO DA AUTOMATIZAÇÃO RESIDENCIAL COM UM BAIXO CUSTO, VOLTADA PARA A FACILITAÇÃO DA REALIZAÇÃO DE TAREFAS COTIDIANAS Relatório final, apresentado ao Centro Universitário Newton Paiva, como parte das exigências para a obtenção do título de Bacharelado em Engenharia de Controle a Automação. Belo Horizonte, 17 de novembro de 2019. BANCA EXAMINADORA ________________________________________ Prof. Ana Carolina Silva de Aquino (Orientadora) ________________________________________ Prof. Myrian Constantino de Almeida Valença (Examinadora) 4 INTRODUÇÃO A domótica é a área que busca estudar alternativas tecnológicas para solucionar problemas e atender necessidades que a automação residencial apresenta, junto a tudo isso, os projetos desenvolvidos quando bem implementados, buscam oferecer um maior conforto e segurança dentro dos processos manipulados. Além disso, a domótica, pode oferecer diversas alternativas de acessibilidade para portadores de necessidade especiais, proporcionando independência em diversas atividades do cotidiano. Normalmente os projetos da domótica são compostas por alguns elementos como Hardware de controle, responsável por armazenar toda lógica de funcionamento do circuito, realizar leitura de sensores e acionamento de dispositivos, e um Software responsável pelo desenvolvimento da programação, criação do banco de dados e gerenciamento do sistema. Este projeto tem como objetivo desenvolver um protótipo de baixo custo que irá oferecer conforto, segurança e total controle do sistema manipulado, demonstrando os recursos que a automação residencial pode oferecer. 5 SUMÁRIO 1.1 Problematização .......................................................................................................... 7 1.2 Objetivo Geral ............................................................................................................. 7 1.3 Objetivos Específicos .................................................................................................... 7 1.4. Justificativa e análise de situação................................................................................ 8 1.5 Hipóteses ..................................................................................................................... 9 2. Referencial Teórico ...................................................................................................... 10 2.1 Arduino ..................................................................................................................... 10 2.2 Tipos de Shields para Arduino .................................................................................... 10 2.2.1 Shields de Motor L293D: ......................................................................................... 11 2.2.2 Shields Wi-Fi NRF24L01 ........................................................................................... 11 2.2.3 Shields Bluetooth RS232 HC-05 ................................................................................ 12 2.3 Tipos de sensores utilizados na domótica ................................................................... 12 2.3.1 Sensores fotoelétricos ............................................................................................. 12 2.3.2 Sensor de presença ................................................................................................. 13 2.3.3 Sensor crepuscular e de chuva ................................................................................. 13 2.3.4 Sensor de temperatura ............................................................................................ 14 2.3 Banco de dados para tarefas residenciais ................................................................... 14 3. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ............................................................................ 15 3.1. Modelo de pesquisa .................................................................................................. 15 3.2 Etapas da pesquisa .................................................................................................... 15 4. CRONOGRAMA PARA O TCC B ...................................................................................... 18 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 19 6 SUMÁRIO DE IMAGENS Figura 1 - Arduino Mega, Fonte: Amazon,2019 ....................................................... 10 Figura 2 - Shield de moto L293D, Fonte: Robosavvy,2019 ................................... 11 Figura 3 - Shields Wi-Fi NRF24L01, Fonte: Electrodragon, 2019 ......................... 11 Figura 4 - Shield Bluetooth, Fonte: Mercado Livre, 2019 ...................................... 12 7 1.1 Problematização A sociedade tem vivido em meios a progressos tecnológicos na área de automação e controle de diversas atividades. Os processos automatizados estão cada vez mais presentes em nosso cotidiano e tem se tornado imprescindível na vida das pessoas. A presente pesquisa vem com o principal objetivo encontrar soluções para tarefas cotidianas que possam ser efetuadas de forma mais cômoda e sem muito esforço. As atividades rotineiras a serem automatizadas consistem em automatizar o recolhimento de um varal em dias de chuva, programar uma torradeira para preparar seu alimento em um horário específico e controlar a temperatura da água de uma banheira para um banho na temperatura desejada. Em meio a tudo isso surge a dúvida, existe alguma forma de utilizar a Domótica nessas atividades a um baixo custo? 1.2 Objetivo Geral Aplicar a automatização residencial com um baixo custo, voltada para a facilitação de tarefas cotidianas 1.3 Objetivos Específicos • Estabelecer tarefas cotidianas residenciais em que a aplicação da automatização tenha um resultado satisfatório; • Fazer o levantamento sobre qual a melhor forma de se aplicar e qual o material deverá ser utilizado para determinada aplicação; • Desenvolver o firmware necessário para que a aplicação seja implantada. 8 1.4. Justificativa e análise de situação O tema em questão aborda a comodidade advinda da automatização residencial, além do fator de atuar como um facilitador de tarefas cotidianas que faz parte do conjunto da automatização. Analisando esses pontos, é possível atribuir ao tema a importância econômica envolvida, já que a redução de custos para a implementação da ideia é umdos principais tópicos abordados, além da importância social que essa implementação traz, já que sua área de aplicação está totalmente voltada para o cotidiano das pessoas, buscando facilitar cada vez mais tarefas em que ainda se vê certas dificuldades para serem executadas de forma prática e rápida. A aplicação da automatização residencial já existe no mercado desde a construção dos primeiros edifícios nos anos 80, e de lá para cá vem evoluindo e se aperfeiçoando cada vez mais com o avanço tecnológico. Porém, a domótica não é algo muito popular, sendo aplicada em pequena escala nas residências, já que sua aplicação exige uma mão de obra qualificada e equipamentos de alto custo, fazendo com que se torne um serviço que, ao mesmo tempo que traz comodidade, traz também um alto custo de implementação, fazendo com que seja instalado em poucas residências. Tendo em vista esse impasse, a situação faz com que a ideia de simplificar essa aplicação em termos de custo se torne atrativa. Assim, analisando a situação, o tema em questão se trata justamente em se aplicar essa automatização residencial, principalmente em tarefas essenciais, como por exemplo um “varal automático” que recolhe as roupas assim que começa a chover, evitando que, se for esquecido as roupas na chuva, elas não se molhem, tendo um baixo custo, mas mantendo sua funcionalidade e comodidade de um sistema com um custo mais elevado. 9 1.5 Hipóteses A baixa adesão da aplicação da automatização residencial por conta do custo da implementação nos dias de hoje, levam ao desenvolvimento de um circuito eletrônico, envolvendo diversos componentes, microcontrolador e linhas elaboradas de programação, para que se torne algo mais prático e podendo ser aplicado mais vezes visando a facilitação nas tarefas cotidianas de forma a não gerar um alto custo para essa implementação. 10 2. Referencial Teórico 2.1 Arduino O Arduino, conforme mostrado na Figura 1, é uma placa de prototipagem eletrônica, composta por um microcontrolador, circuitos de entrada/saída e uma extrema facilidade de ser conectada em uma IDE (Ambiente Integral de Desenvolvimento) programada na linguagem C/C++. Além de toda essa configuração, esse hardware oferece diversas extensões denominadas Shields. Esses Shields são utilizados para estender as propostas oferecidas pelo controlador, por exemplo, Shields Bluetooth, Shields de reconhecimento por voz, entre outros. Especificamente para este projeto iremos utilizar o Arduino mega, que possui um microcontrolador ATmega2560 composto por 3 tipos de memória. A memória flash de 256 kb para armazenamento de códigos, 8 kb de SRAM utilizada para armazenar dados temporariamente que serão executados pelo processador e 4 kb de EEPROM que irá salvar pequenas quantidades de dados quando a energia do circuito for removida. Iremos utilizar essa versão da placa, pois ela oferece 54 pinos de entrada e saída, que irá suprir à quantidade de sensores e atuadores que será acionado durante o controle. Figura 1 - Arduino Mega, Fonte: Amazon,2019 2.2 Tipos de Shields para Arduino Como exemplificado no tópico 1.1, o Arduino oferece a possibilidade de acrescentar módulos que possuem um circuito eletrônico, que irão executar uma determinada função dentro do projeto. Todos os Shields utilizados na placa, necessitam de bibliotecas de software específicas para funcionar, devendo elas ser instaladas no IDE do Arduino. 11 2.2.1 Shields de Motor L293D: Esses Shields são utilizados para realizar o controle em motores DC (Corrente Contínua), de passo ou Servo motores, como mostrado na Figura 2. Ele permite controlar a velocidade de rotação e a direção dos motores, além de medir a corrente que o circuito está consumindo. O chip L293D possui internamente duas Pontes H e suporta uma corrente de saída de 600mA por canal. A tensão suportada de 4,5-16V. Figura 2 - Shield de moto L293D, Fonte: Robosavvy,2019 2.2.2 Shields Wi-Fi NRF24L01 É um circuito que permite a comunicação via wireless com o Arduino, permitindo realizar todo o controle do projeto de forma remota, como demonstrado na Figura 3. Além disso, permitirá à conexão a Internet e a rede local. O módulo possui uma antena embutida que opera na frequência de 2,4GHz, com velocidade de operação de 2Mbps, modulação GFSK (Chaveamento Gaussiano de mudança de frequência), habilidade de anti-interferência, verificação de erros por CRC (Verificação cíclica de redundância), comunicação multiponto de 125 canais e controle de fluxo (FILIPEFLOP,2019). Figura 3 - Shields Wi-Fi NRF24L01, Fonte: Electrodragon, 2019 12 2.2.3 Shields Bluetooth RS232 HC-05 Esse Shield, conforme demonstrado na Figura 4, permitir a comunicação entre os equipamentos, trabalhando tanto no modo mestre como no escravo, ou seja, acionando algo ou recebendo alguma leitura. O módulo possui uma antena embutida que opera na frequência de 2,4GHz, com velocidade de operação de 2,1Mbps, modulação GFSK, sensibilidade de <=84dBm, segurança com autenticação e encriptação, bluetooth v2.0 e alcance de 10 metros (FILIPEFLOP,2019). Figura 4 - Shield Bluetooth, Fonte: Mercado Livre, 2019 2.3 Tipos de sensores utilizados na domótica A automação residencial refere-se à aplicação de sistemas de controle que se baseiam na automação para as funções que podem ser encontradas no ambiente, fazendo uma integração dos seus acionamentos e visando a praticidade, simplicidade e objetividade dos comandos. Fazer tudo isso sem que a beleza, o conforto e a valorização do ambiente sejam esquecidas. (GDS: AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL, 2013). Para que a Domótica seja implementada com uma maior qualidade, é necessária uma forma de se obter um feedback do que está sendo manipulado no ambiente, sendo esse retorno feita por diversos tipos de sensores existentes no mercado. 2.3.1 Sensores fotoelétricos Os sensores fotoelétricos são utilizados em processos de automação industrial para detectar diversos tipos de materiais. Eles trabalham com emissão e recepção de luz e são ideais para aplicações onde faz-se necessário a detecção de objetos sem o contato físico, sendo possível utilizá-los em distâncias pequenas até vários metros. As 13 possibilidades com os sensores óticos são praticamente ilimitadas. Nos sensores de reflexão difusa, o emissor e o receptor estão no mesmo corpo e a luz emitida, quando reflete em algum objeto volta ao sensor (de forma difusa) e este identifica que o objeto está na frente; Os do tipo reflexivo também possuem emissor e o receptor no mesmo corpo, porem trabalham em conjunto com um prisma refletor e possuem distancias maiores. Eles identificam um objeto quando o feixe de luz é interrompido. (SENSORES FOTOELÉTRICOS, 2019). 2.3.2 Sensor de presença Os sensores de presença são chamados infravermelhos passivos porque somente captam variações de irradiação de luz infravermelha (variações de temperatura) no ambiente. Todos os objetos emitem certa quantia de luz infravermelha, uma mudança repentina no ambiente, como por exemplo: a entrada de uma pessoa alterará essa quantidade de luz infravermelha, causando um alarme. (Datalink,2019). 2.3.3 Sensor crepuscular e de chuva O sensor crepuscular é um sistema óptico, que trabalha com a variação de resistência de acordo com a diferença de intensidade dois sensores de luminosidade, já o sensor de chuva é utilizado para monitorar variações de umidade no ambiente. Quando o clima está seco, o sensor apresenta sua saída em nível lógico alto, já em tempo úmido/chuvoso sua saída será nível lógico baixo. Ao juntar os dois circuitos dos sensores, conseguimos obter um único sistema que emite um sinal infravermelho e analisaa refração do sinal no vidro. Quando as gotas de chuva acumulam no sensor, a refração é alterada, gerando uma variação no sinal de saída do circuito. (REVISTA AUTOESPORTE, 2017). 14 2.3.4 Sensor de temperatura O Sensor de Temperatura LM35, é um sensor de precisão, que apresenta uma saída de tensão linear relativa à temperatura em que ele se encontrar no momento em que for alimentado por uma tensão de 4-20 VDC e GND (“graduated neutral density filter” ou simplesmente a referência de aterramento da placa), tendo em sua saída um sinal de 10mV para cada Grau Celsius de temperatura, sendo assim, apresenta uma boa vantagem com relação aos demais sensores de temperatura calibrados em “KELVIN”, não necessitando nenhuma subtração de variáveis para que se obtenha uma escala de temperatura em Graus Celsius. (BAU DA ELETRONICA, 2019). 2.3 Banco de dados para tarefas residenciais Para que a domótica funcione da maneira correta, será necessário um banco de dados contendo as definições das variáveis de entrada/saída, calendário de eventos e acionamento de atuadores. Como exemplo, pode-se ter o atuador do varal “motor DC (Corrente contínua) ” e o sensor “chuva” (utilizando o nome do sensor como a variável, portanto “chuva”, e o valor do feedback atribuído a variável, sendo ela nível lógico alto ou baixo). Quando o estado do motor ou dos sensores são alterados, todos os valores são atribuídos as variáveis pré-determinadas e armazenados em uma linha de banco de dados. Quando os níveis dos componentes são inseridos no banco de dados, os mesmos são inseridos na lógica desenvolvida na placa e irão passar pela verificação de regra estabelecidas no algoritmo. Uma regra aprendida poderia ser: SE Chuva = Nível lógico baixo E Roupa = sim ENTAO Motor = Esquerda. Assim, quando o sensor identificar que existe umidade no ambiente e tiver alguma roupa no varal, o motor irá girar automaticamente para esquerda recolhendo o varal. Existe outro banco de dados para quando não existir presença de roupa no varal, para que o motor não gire de maneira desnecessária se houver chuva. Roupa = não ENTÃO Motor = desligado. Além de configurações básicas dos valores de variáveis, também é possível criar um calendário de eventos, determinando contagem de horas e dias da semana. (DOMÓTICA INTELIGENTE: AUTOMAÇÃO BASEADA EM COMPORTAMENTO, Marcelo Takiuchi, Érica Melo e Flávio Tonidandel ,2004). 15 3. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS 3.1. Modelo de pesquisa Como já estabelecido no início do trabalho, seu objetivo principal está voltado para a aplicação da automatização residencial com um baixo custo, buscando viabilizar a aplicação dessa automatização diminuindo seu custo de aplicação a partir do projeto em questão. Incluindo a elaboração de um protótipo a partir do objetivo que se deseja alcançar, além de testes efetuados em laboratório para auxiliar no resultado que será obtido, a pesquisa em questão é experimental. A pesquisa é de caráter exploratório e qualitativo, com um passo voltado à parte experimental que assim a torna uma pesquisa empírica, que envolve testes, elaboração de protótipos e simulações de projeto, em que se tem o controle das variáveis, permitindo aplicar diferentes valores para entender cada resposta. 3.2 Etapas da pesquisa • Etapa 1: Levantamento de dados Para que os objetivos do projeto sejam atingidos e que a hipótese seja confirmada, a primeira etapa a ser levada em consideração é um levantamento de dados, através de pesquisas bibliográficas, para que se tenha todo o conhecimento necessário sobre o tema e sobre os componentes que forem ser utilizados durante o desenvolvimento do projeto, para que se possa alcançar a aplicação de uma automatização de baixo custo, que é o objetivo principal do trabalho. Com isso, pesquisas em livros que abordem o tema serão extremamente importantes para entender cada passo que deverá acontecer, para que tudo ocorra como o esperado, além de facilitar na escolha de qual o melhor material a ser utilizado. 16 • Etapa 2: Simulações O processo em questão exige ensaios e testes em laboratório para que se obtenha uma resposta do processo a partir daquilo que for sendo desenvolvido. A programação do microcontrolador se torna o ponto mais importante a ser testado durante o desenvolvimento do projeto, já que, por conta da sua importância (é a responsável por todo o processo em termos de controle), e sua riqueza de detalhes, exige que seja efetuado inúmeros testes ao longo de sua produção ( como uma compilação das linhas de programação em um software que comunique diretamente com o microcontrolador) em um laboratório, para que sua aplicação atinja seu objetivo. A parte de hardware do trabalho também deverá ser testada em laboratório, buscando perceber quais conexões serão necessárias para que o sistema efetue aquilo que se deseja. O hardware poderá ser testado via software antes mesmo de seu desenvolvimento, para evitar erros no momento de compra de peças e montagem de placas. Por fim, a parte de programação desenvolvida para a aplicação no projeto poderá ser testada juntamente com o hardware, em um único software, tornando possível estabelecer as variáveis e analisar o processo como um todo, comparando os resultados simulados com os que se deseja atingir, proporcionando a possibilidade de alteração caso a comparação não seja satisfatória. 17 • Etapa 3: Protótipo O desenvolvimento do protótipo envolve vários aspectos que devem ser levados em conta. A forma com que os componentes serão distribuídos e conectados uns aos outros envolve um certo estudo para que seja efetuada na forma correta, com isso, será necessário recorrer a pesquisas bibliográficas para que se entenda tudo aquilo que for necessário para desenvolver o circuito. O circuito, por sua vez, após ser testado e desenvolvido através de um software especifico, será proveniente do computador e iniciará seu trabalho de forma física, sempre exigindo testes ao longo da sua produção, para que se confirme que nada que foi feito irá causar efeitos indesejados no processo ( como um curto circuito na hora da soldagem, ou a conexão errada dos componentes). Ao inserir no protótipo o microcontrolador já programado, passa a ser possível efetuar testes conclusivos importantes para o trabalho, pois será a partir desse momento que passa a ser possível obter respostas reais do projeto, já que tudo já estará implementado teoricamente na forma já preestabelecida. O protótipo, ao se juntar com as cargas que serão controladas, poderá ser analisado de forma completa e final, observando se todos os objetivos já relatados durante o processo serão alcançados durante essa aplicação. A comparação dos gastos ao longo do processo também é necessária para que se alcance o objetivo principal (baixo custo) de forma completa, em que deverá haver uma comparação entre o custo total desse projeto em questão com uma aplicação real do sistema produzido ao longo do projeto, buscando demonstrar se será ou não possível estabelecer esse sistema sem ter maiores gastos. 18 4. CRONOGRAMA PARA O TCC B Etapas Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Levantamento bibliográfico x Lista/Aquisição de materiais x Início de desenvolvimento do artigo x Início de montagem do protótipo x Realização de testes do projeto x Elaboração do relatório final x Revisão do texto x Entrega do trabalho x 19 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (SENSORES FOTOÉLETRICOS). Disponível em: <https://www.schmersal.com.br/automacao/produto/sensores-fotoeletricos/>. Acesso em: 13/10/2019). (Sensor crepuscular, 2019) Disponível em:<https://revistaautoesporte.globo.com/Especiais/novaera/noticia/2017/08/inovacao-11- sensores-de-chuva-e-crepuscular.html>. (Shield WIFI, 2019) Disponível em: <https://www.electrodragon.com/product/nrf24duino- arduino-mini-plus-nrf24l01-board/>. (Shield de motor L293D) Disponível em: < https://robosavvy.com/store/dagu-commotion- motor-driver-shield.html> (Figura 5 - Arduino Mega, Fonte: Amazon,2019) Disponível em :< https://www.amazon.com/Arduino-Mega-MEGA-2560-Board/dp/B07RS12QW8?th=1>. (Sensores fotoelétricos,2019) Disponível em :< https://www.schmersal.com.br/automacao/produto/sensores-fotoeletricos/>. (Sensores fotoelétricos,2019) Disponível em :<https://repositorio.uniceub.br/jspui/bitstream/235/3854/1/Armando%20Victor%20Monografi a%201_2013.pdf>. (GDS: AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL, 2013). Disponível em:< http://www.gdsautomacao.com.br/site/index.php?option=com_content&view=article&id=61&It emid=66>. (DOMÓTICA INTELIGENTE: AUTOMAÇÃO BASEADA EM COMPORTAMENTO, Marcelo Takiuchi, Érica Melo e Flávio Tonidandel ,2004). Disponível em:< https://fei.edu.br/~flaviot/pub_arquivos/WTDIA06.pdf. https://www.schmersal.com.br/automacao/produto/sensores-fotoeletricos/ https://revistaautoesporte.globo.com/Especiais/novaera/noticia/2017/08/inovacao-11-sensores-de-chuva-e-crepuscular.html https://revistaautoesporte.globo.com/Especiais/novaera/noticia/2017/08/inovacao-11-sensores-de-chuva-e-crepuscular.html https://www.electrodragon.com/product/nrf24duino-arduino-mini-plus-nrf24l01-board/ https://www.electrodragon.com/product/nrf24duino-arduino-mini-plus-nrf24l01-board/ https://robosavvy.com/store/dagu-commotion-motor-driver-shield.html https://robosavvy.com/store/dagu-commotion-motor-driver-shield.html https://www.amazon.com/Arduino-Mega-MEGA-2560-Board/dp/B07RS12QW8?th=1 https://www.schmersal.com.br/automacao/produto/sensores-fotoeletricos/ https://repositorio.uniceub.br/jspui/bitstream/235/3854/1/Armando%20Victor%20Monografia%201_2013.pdf https://repositorio.uniceub.br/jspui/bitstream/235/3854/1/Armando%20Victor%20Monografia%201_2013.pdf http://www.gdsautomacao.com.br/site/index.php?option=com_content&view=article&id=61&Itemid=66 http://www.gdsautomacao.com.br/site/index.php?option=com_content&view=article&id=61&Itemid=66 https://fei.edu.br/~flaviot/pub_arquivos/WTDIA06.pdf
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