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ESCOLA POLITÉCNICA BRASILEIRA CURSO TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO LUCAS DE JESUS SOUSA OS SISTEMAS EMBARCADOS E SEU PAPEL CRUCIAL NO CONTROLE E AUTOMAÇÃO DE DISPOSITIVOS ELÉTRICOS DUQUE DE CAXIAS/ RJ 2024 ESCOLA POLITÉCNICA BRASILEIRA CURSO TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO LUCAS DE JESUS SOUSA OS SISTEMAS EMBARCADOS E SEU PAPEL CRUCIAL NO CONTROLE E AUTOMAÇÃO DE DISPOSITIVOS ELÉTRICOS Artigo Científico Apresentado à Escola Politécnica Brasileira, como requisito parcial para a obtenção do título de Técnico em Eletrotécnica. Professora Orientadora: Tutora Thaís DUQUE DE CAXIAS/ RJ 2024 RESUMO Os sistemas embarcados desempenham um papel crucial no controle e automação de dispositivos elétricos em uma variedade de aplicações, desde eletrodomésticos até sistemas industriais complexos. Este resumo examina o uso de sistemas embarcados para o controle de dispositivos elétricos, destacando suas características, benefícios e aplicações. Os sistemas embarcados são sistemas computacionais integrados em dispositivos eletroeletrônicos, com hardware e software dedicados a uma tarefa específica. Eles são projetados para oferecer alto desempenho, baixo consumo de energia e tamanho compacto, tornando-os ideais para o controle de dispositivos elétricos. Esses sistemas são capazes de controlar uma ampla gama de dispositivos elétricos, incluindo iluminação, sistemas de aquecimento e refrigeração, eletrodomésticos, sistemas de segurança, entre outros. Eles são frequentemente utilizados em automação residencial, edifícios inteligentes, indústria automotiva, sistemas de energia renovável e muito mais. Os benefícios dos sistemas embarcados para o controle de dispositivos elétricos incluem maior eficiência energética, automação de processos, facilidade de integração com outros sistemas, maior confiabilidade e segurança, além de oferecerem recursos avançados, como conectividade à Internet, controle remoto e capacidade de aprendizado de máquina. Os sistemas embarcados desempenham um papel essencial no controle e automação de dispositivos elétricos, proporcionando eficiência, conveniência e segurança em uma variedade de aplicações. Com o avanço da tecnologia, espera-se que esses sistemas continuem a desempenhar um papel cada vez mais importante na nossa vida cotidiana. Palavras-chave: Sistemas Embarcados, Controle, Dispositivos Elétricos. SUMÁRIO INTRODUÇÃO 6 REFERENCIAL TEÓRICO 7 CONSIDERAÇÕES FINAIS..................................................................12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 13 2 INTRODUÇÃO Os sistemas embarcados são responsáveis por gerenciar e controlar o funcionamento de diversos dispositivos, desde eletrodomésticos até equipamentos industriais. Sua importância se deve ao fato de que eles proporcionam maior eficiência energética, facilidade de uso e maior segurança no controle desses dispositivos. Uma das principais características dos sistemas embarcados é sua capacidade de processamento. Eles são projetados para executar tarefas específicas com eficiência e rapidez, mesmo com recursos limitados. Outra característica importante é o baixo consumo de energia, o que os torna ideais para aplicações que exigem autonomia energética. No entanto, o desenvolvimento de sistemas embarcados para controle de dispositivos elétricos enfrenta diversos desafios. Um dos principais é garantir a segurança e confiabilidade das operações. Como esses sistemas estão envolvidos no controle de equipamentos elétricos, é essencial que eles sejam capazes de lidar com situações adversas sem comprometer a integridade dos dispositivos ou colocar em risco a segurança dos usuários. Para cumprir suas funções, os sistemas embarcados utilizam diversas tecnologias. Entre elas estão os microcontroladores, que são responsáveis pelo processamento das informações e pelo controle dos dispositivos conectados. Além disso, sensores são utilizados para capturar dados do ambiente e atuadores são responsáveis por realizar as ações necessárias para o controle dos dispositivos elétricos. As aplicações dos sistemas embarcados para controle de dispositivos elétricos são diversas e abrangem diferentes áreas. Na automação residencial, esses sistemas permitem o controle remoto de equipamentos, como iluminação e climatização, proporcionando maior conforto e praticidade aos usuários. Na indústria, os sistemas embarcados são utilizados para controlar máquinas e processos produtivos, aumentando a eficiência e reduzindo custos. Já na medicina, esses sistemas são empregados no monitoramento de pacientes e no controle de equipamentos médicos. Os sistemas embarcados para controle de dispositivos elétricos trazem uma série de benefícios. Um deles é a maior eficiência energética, pois esses sistemas são projetados para otimizar o consumo de energia dos dispositivos controlados. Outro benefício é a maior segurança proporcionada por esses sistemas, que garantem o correto funcionamento dos dispositivos elétricos e evitam acidentes. No futuro, espera-se que os sistemas embarcados para controle de dispositivos elétricos sejam integrados com a Internet das Coisas (IoT). Isso permitirá que esses sistemas se comuniquem entre si e com outros dispositivos conectados à internet, possibilitando um maior nível de automação e interconexão. Além disso, espera-se também um avanço da inteligência artificial nesses sistemas, tornando-os capazes de aprender com o ambiente e tomar decisões de forma autônoma, proporcionando maior eficiência e praticidade aos usuários. REFERENCIAL TEÓRICO A arquitetura de sistemas embarcados desempenha um papel essencial no controle de dispositivos elétricos, permitindo a integração e interação entre diferentes componentes. Através dessa arquitetura, é possível conectar e coordenar os diversos elementos que compõem um sistema embarcado, como sensores, atuadores e interfaces de comunicação. Essa integração possibilita o controle preciso e eficiente dos dispositivos elétricos, garantindo seu funcionamento adequado (FONTES, 2018). Uma das principais características da arquitetura de sistemas embarcados é a presença de um processador dedicado. Esse processador é responsável por executar as tarefas específicas do sistema embarcado, como coletar dados dos sensores, processá-los e enviar comandos para os atuadores. Além disso, a memória limitada é outra característica importante desses sistemas. Devido às restrições de espaço físico e custo, os sistemas embarcados geralmente possuem uma quantidade reduzida de memória disponível (SILVA, 2017). Existem diferentes tipos de sistemas embarcados utilizados no controle de dispositivos elétricos. Um exemplo comum são os microcontroladores, que são circuitos integrados projetados para realizar tarefas específicas em sistemas embarcados. Outro tipo são os DSPs (Digital Signal Processors), que são processadores especializados em processamento digital de sinais. Já as FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) são dispositivos programáveis que podem ser configurados para executar funções específicas (SÃO MATEUS, 2023). O uso de sistemas embarcados no controle de dispositivos elétricos traz diversas vantagens. Uma delas é a redução do tamanho e custo dos equipamentos. Devido à sua arquitetura compacta e eficiente, os sistemas embarcados permitem a criação de dispositivos elétricos mais compactos e acessíveis. Além disso, esses sistemas também proporcionam maior eficiência energética, uma vez que são projetados para executar tarefas específicas de forma otimizada. Outra vantagem é a maior confiabilidade dos dispositivos elétricos controlados por sistemas embarcados, pois esses sistemas são projetados para operar de forma estável e segura (SILVA, 2017). No entanto, a arquitetura de sistemas embarcados para o controle de dispositivos elétricos também enfrenta desafios significativos. Um desses desafios é garantir a segurança dos dados transmitidos entre os diferentes componentes do sistema.Como os sistemas embarcados estão cada vez mais conectados em redes, é necessário implementar mecanismos de criptografia e autenticação para proteger as informações transmitidas. Além disso, é preciso garantir a compatibilidade com diferentes protocolos de comunicação utilizados nos dispositivos elétricos (SANTOS, JÚNIOR, ARAÚJO, ABREU, 2022). Diversas tecnologias são utilizadas na implementação da arquitetura de sistemas embarcados para o controle de dispositivos elétricos. Sensores são utilizados para coletar informações sobre o ambiente e o funcionamento dos dispositivos elétricos. Atuadores são responsáveis por realizar as ações físicas necessárias para controlar os dispositivos elétricos. Além disso, interfaces de comunicação são utilizadas para permitir a troca de informações entre os diferentes componentes do sistema (GONÇALVES, 2019). 2.1 COMPONENTES DE UM SISTEMA EMBARCADO Os sistemas embarcados são compostos por diversos componentes que desempenham funções específicas para o seu correto funcionamento. Entre os principais componentes, destacam-se o microcontrolador, a memória, os periféricos e as interfaces (PELLINI, 2017). O microcontrolador é um dos componentes mais importantes de um sistema embarcado, sendo responsável por executar as tarefas de controle e processamento de dados. Ele possui uma unidade central de processamento (CPU), que realiza as operações lógicas e aritméticas necessárias para o funcionamento do sistema. Além disso, o microcontrolador também conta com memória interna para armazenar programas e dados temporários NASSORI, M. A., MENESES, M. U., SANTOS, R. L. (2019). A memória é outro componente essencial em um sistema embarcado, pois é responsável por armazenar os programas e dados necessários para o seu funcionamento. Existem diferentes tipos de memória utilizados em sistemas embarcados, como a memória ROM (Read-Only Memory), que contém o programa de controle do dispositivo e não pode ser alterada pelo usuário, e a memória RAM (Random Access Memory), que permite a leitura e escrita de dados durante a execução do programa (CASTRO, 2022). Os periféricos são dispositivos utilizados em sistemas embarcados para permitir a interação com o ambiente externo. Entre os periféricos mais comuns estão os sensores, que captam informações do ambiente, como temperatura, pressão ou luminosidade, e os atuadores, que realizam ações físicas com base nas informações recebidas pelos sensores. Esses periféricos são fundamentais para o controle de dispositivos elétricos em um sistema embarcado (COLORIDAS, 2016). As interfaces presentes nos sistemas embarcados possibilitam a comunicação entre o dispositivo e outros dispositivos externos. Existem diferentes tipos de interfaces utilizadas, como USB (Universal Serial Bus), Ethernet e Bluetooth. Essas interfaces permitem a transferência de dados entre o sistema embarcado e outros dispositivos, como computadores ou smartphones, possibilitando a configuração do sistema ou o monitoramento dos dados coletados pelos sensores (FONTES, 2018). A escolha adequada dos componentes é essencial para garantir o desempenho e eficiência de um sistema embarcado. É necessário considerar fatores como a capacidade de processamento do microcontrolador, a quantidade e velocidade da memória, a precisão dos sensores e a compatibilidade das interfaces com os demais dispositivos. Uma escolha inadequada dos componentes pode comprometer o funcionamento do sistema ou limitar suas funcionalidades (PELLINI, 2017). 2.2 As aplicações dos sistemas embarcados no controle de dispositivos elétricos são vastas e abrangem diversas áreas. Uma das principais aplicações é o acionamento de motores, que permite controlar o funcionamento de máquinas e equipamentos industriais. Com o uso de sistemas embarcados, é possível programar os motores para operarem em diferentes velocidades e direções, proporcionando maior flexibilidade e eficiência nos processos produtivos (CASTRO, 2022). Outra aplicação importante dos sistemas embarcados é o controle de temperatura. Por meio de sensores e atuadores, é possível monitorar a temperatura ambiente ou de um determinado dispositivo elétrico e realizar ajustes automáticos para mantê-la dentro de uma faixa pré-determinada. Isso é especialmente útil em ambientes como laboratórios, indústrias farmacêuticas e estufas agrícolas, onde a temperatura precisa ser controlada com precisão (HERNÁNDEZ, 2022). A iluminação automatizada é outra aplicação comum dos sistemas embarcados no controle de dispositivos elétricos. Com a utilização de sensores de presença ou luminosidade, é possível acionar as lâmpadas automaticamente quando necessário, evitando desperdício de energia. Além disso, os sistemas embarcados permitem programar diferentes cenários de iluminação conforme a necessidade do ambiente, proporcionando maior conforto e economia (PELLINI, 2017). A utilização de sistemas embarcados para o controle eficiente e seguro de dispositivos elétricos é essencial para garantir uma maior economia de energia e redução de custos. Ao automatizar o controle desses dispositivos, é possível evitar desperdícios energéticos decorrentes do uso inadequado ou desnecessário. Além disso, a utilização de sistemas embarcados permite o monitoramento em tempo real do consumo de energia, possibilitando identificar e corrigir possíveis problemas ou anomalias (COLORIDAS, 2016). Uma das principais vantagens dos sistemas embarcados no controle de dispositivos elétricos é a possibilidade de programação personalizada. Com isso, é possível adaptar o funcionamento dos dispositivos às necessidades específicas de cada ambiente ou usuário. Além disso, os sistemas embarcados permitem o monitoramento remoto dos dispositivos, possibilitando o acompanhamento e controle à distância (FONTES, 2018). Outra vantagem dos sistemas embarcados é a integração com outros sistemas. Por meio de protocolos de comunicação como o MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) e o Modbus, é possível integrar os dispositivos elétricos controlados por sistemas embarcados a outros sistemas como supervisórios industriais ou softwares de gestão energética. Isso facilita a centralização do controle e a obtenção de informações mais precisas sobre o funcionamento dos dispositivos (SILVA, 2017). No entanto, a implementação de sistemas embarcados para o controle de dispositivos elétricos também apresenta desafios. Um desses desafios é a compatibilidade com diferentes equipamentos. Os dispositivos elétricos podem utilizar diferentes protocolos de comunicação e interfaces, o que pode dificultar sua integração com os sistemas embarcados. É necessário desenvolver soluções que sejam capazes de se comunicar com uma ampla variedade de equipamentos NASSORI, M. A., MENESES, M. U., SANTOS, R. L. (2019). As tecnologias utilizadas nos sistemas embarcados para o controle de dispositivos elétricos são diversas. Sensores são utilizados para captar informações do ambiente, como temperatura, luminosidade e presença. Atuadores são responsáveis por realizar as ações necessárias para controlar os dispositivos elétricos, como acionar motores ou ligar/desligar lâmpadas. Além disso, os sistemas embarcados utilizam protocolos de comunicação para trocar informações com outros dispositivos ou sistemas (SÃO MATEUS, 2023). A automação residencial é uma das áreas que mais se beneficia dos sistemas embarcados no controle de dispositivos elétricos. Através da automação residencial, é possível controlar diversos aspectos da casa, como iluminação, climatização e segurança, proporcionando maior conforto, segurança e praticidade aos usuários. Com o uso de sistemas embarcados, é possível programar cenários personalizados conforme as preferências dos moradores e até mesmo controlar a casa remotamente através de aplicativos móveis (SANTOS, JÚNIOR, ARAÚJO, ABREU, 2022). CONSIDERAÇÕES FINAIS Os sistemas embarcados têm desempenhado um papel essencial no controle de dispositivos elétricos, tanto na automação residencial quanto na industrial. Sua importânciareside na capacidade de revolucionar a forma como esses dispositivos são controlados, proporcionando maior praticidade, eficiência energética e segurança nas instalações elétricas. Através da utilização de sistemas embarcados, é possível monitorar e programar dispositivos elétricos, além de interconectá-los com outros dispositivos, permitindo uma integração completa dos sistemas. Essas características e funcionalidades são essenciais para o desenvolvimento de soluções avançadas e inteligentes no controle de dispositivos elétricos. A implementação desses sistemas enfrenta diversos desafios que precisam ser superados. Um dos principais desafios é garantir a segurança da informação transmitida pelos dispositivos, uma vez que eles estão conectados em redes e expostos a ameaças cibernéticas. Além disso, é necessário garantir a compatibilidade entre diferentes dispositivos e protocolos de comunicação, para que haja uma integração eficiente entre eles. Outro desafio importante é a eficiência energética, pois os sistemas embarcados devem ser projetados para consumir o mínimo de energia possível, visando reduzir os custos operacionais e contribuir para a sustentabilidade ambiental. As tendências atuais no desenvolvimento de sistemas embarcados para o controle de dispositivos elétricos incluem a integração com assistentes virtuais, como Alexa e Google Assistant. Isso permite que os usuários controlem seus dispositivos por meio de comandos de voz, proporcionando uma experiência mais intuitiva e prática. Além disso, o uso de inteligência artificial tem sido explorado para otimizar o consumo de energia, através da análise de dados e do aprendizado de padrões de uso dos dispositivos elétricos. Essas tendências indicam um futuro promissor para os sistemas embarcados, com avanços tecnológicos que possibilitarão um controle ainda mais eficiente e inteligente dos dispositivos elétricos. Os benefícios proporcionados pelos sistemas embarcados no controle de dispositivos elétricos são inúmeros. A praticidade é um dos principais benefícios, pois os usuários podem controlar seus dispositivos remotamente, por meio de aplicativos em seus smartphones ou tablets. Além disso, a economia de energia é outro benefício importante, uma vez que os sistemas embarcados permitem programar o funcionamento dos dispositivos elétricos de acordo com a demanda, evitando desperdícios. A maior segurança nas instalações elétricas é um benefício significativo, pois os sistemas embarcados podem detectar falhas e desligar automaticamente os dispositivos em caso de problemas. Os impactos sociais e econômicos dos sistemas embarcados para o controle de dispositivos elétricos são significativos. Em termos sociais, esses sistemas contribuem para uma maior eficiência energética, reduzindo o consumo desnecessário e promovendo a sustentabilidade ambiental. Além disso, eles proporcionam maior conforto e comodidade aos usuários, facilitando suas atividades diárias. Do ponto de vista econômico, os sistemas embarcados ajudam a reduzir os custos operacionais das empresas e residências, uma vez que permitem um controle mais eficiente dos dispositivos elétricos. Espera-se que haja avanços tecnológicos significativos nessa área, como a miniaturização dos componentes eletrônicos, o desenvolvimento de novos materiais e a melhoria das técnicas de programação. Esses avanços possibilitarão a criação de sistemas embarcados ainda mais eficientes, inteligentes e seguros. Além disso, espera-se que haja uma maior integração entre os sistemas embarcados e outras tecnologias emergentes, como a Internet das Coisas (IoT) e a computação em nuvem, ampliando ainda mais as possibilidades de controle e automação dos dispositivos elétricos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CASTRO, LJB. Automação da medição e controle dos níveis de pH e cloro da água usando sistema embarcado. 2022. Disponível em: <https://repositorio.ufc.br/handle/riufc/65835>. Acesso em: [data de acesso]. FSB FONTES. Projeto e desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados para aplicações didáticas de controle digital. 2018. Disponível em: <http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/24535>. Acesso em: [data de acesso]. GONÇALVES, L. N. Visão computacional aplicada: sistema embarcado para controle de consumo energético de equipamentos elétricos. 2019. Disponível em: <https://www.bdm.ufpa.br:8443/handle/prefix/1329>. Acesso em: [data de acesso]. NASSORI, M. A.; MENESES, M. U.; SANTOS, R. L. Smart Home: A inteligência na automação residencial protótipo de sistema de automação residencial para demonstração da utilização do protocolo mqtt. 2019. Disponível em: <http://ric-cps.eastus2.cloudapp.azure.com/handle/123456789/12119>. Acesso em: [data de acesso]. PELLINI, E. L. Tópicos em Energia e Automação Elétricas. Disponível em: <http://www.sef.usp.br/wp-content/uploads/sites/21/2017/08/PPP-TEAE-PEA-2017-V02_2.pdf#page=15>. Acesso em: [data de acesso]. PETRI COLORIDAS, R. Centro de Engenharia Elétrica e Informática. 2016. Disponível em: <https://core.ac.uk/download/pdf/250087188.pdf>. Acesso em: [data de acesso]. PORTILLA HERNÁNDEZ, P. M. Desenvolvimento de um sistema embarcado para ciclismo assistido por eletroestimulação-FES-cycling. 2022. Disponível em: <https://repositorio.unesp.br/handle/11449/234738>. Acesso em: [data de acesso]. SANTOS, E. B.; JÚNIOR, C.; ARAÚJO, D. S.; ABREU, T. M. Construção de um dispositivo para obtenção da impedância elétrica de sistemas utilizando Arduinos. Revista Brasileira de ..., v. 2022, 2022. Disponível em: <https://www.scielo.br/j/rbef/a/9gvy9hCKyzDPphpS7Qszx5j/>. Acesso em: [data de acesso]. SÃO MATEUS, Campus Santo. PROJETO PEDAGÓGICO DO CURSO TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA INTEGRADO AO ENSINO MÉDIO. Disponível em: <https://www.ifes.edu.br/images/stories/-publicacoes/cursos/tecnicos/ppc/eletrotecnica/ppc-tecnico-eletrotecnica-integrado-sao-mateus-vig-2023-01.pdf>. Acesso em: [data de acesso]. SILVA, R. B. Desenvolvimento de uma plataforma educacional de apoio ao ensino e aprendizagem de robótica á luz da pedagogia de projetos. Disponível em: <https://www.academia.edu/download/57855995/03.pdf>. Acesso em: 2017. image1.png
