automaÇÃo residencial no gerenciamento de energia utilizando arduino
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Trabalho de Conclusão de Curso utilizando Microcontrolador com interface WebTRANSCRIPT
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
GUSTAVO DOMINGOS MARTINS
DAVI MENDES DE FREITAS
AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL NO GERENCIAMENTO DE ENERGIA
UTILIZANDO ARDUINO
Niterói
2013
GUSTAVO DOMINGOS MARTINS
DAVI MENDES DE FREITAS
AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL NO GERENCIAMENTO DE ENERGIA
UTILIZANDO ARDUINO
Orientador:
Diego Nunes Brandão
Niterói
2013
Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao Curso de Tecnologia em Sistemas de Computação da Universidade Federal Fluminense como requisito parcial para obtenção do grau de Tecnólogo em Sistemas de Computação.
GUSTAVO DOMINGOS MARTINS
DAVI MENDES DE FREITAS
AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL NO GERENCIAMENTO DE ENERGIA
UTILIZANDO ARDUINO
Niterói, 20 de Junho de 2013.
Banca Examinadora:
_________________________________________
Prof. Diego Nunes Brandão, M.Sc. – Orientador
CEFET-RJ - Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca
UFF – Universidade Federal Fluminense
_________________________________________
Prof. Henrique Serdeira, M.Sc. – Avaliador
UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro
_________________________________________
Prof. Puca Huachi Vaz Penna, M.Sc. – Avaliador
UFF – Universidade Federal Fluminense
Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao Curso de Tecnologia em Sistemas de Computação da Universidade Federal Fluminense como requisito parcial para obtenção do grau de Tecnólogo em Sistemas de Computação.
AGRADECIMENTOS
Temos como compromisso agradecer às pessoas que colaboraram com criticas,
sugestões e orientações para que pudéssemos concluir com êxito esse árduo
caminho da fundamentação do trabalho a conclusão do mesmo.
Agradecemos ao nosso orientador pela confiança e a atenção que precisávamos
durante todo esse processo para desenvolvimento de um trabalho bem elaborado.
RESUMO
A sociedade convive hoje com inúmeros desafios, dentre eles destacam-se: a
utilização inteligente dos recursos naturais e a segurança nas grandes cidades. Uma
das formas de abordar a questão do uso racional dos recursos naturais, por
exemplo, é por meio da redução no consumo de energia elétrica em residências,
indústrias, dentre outros. Por outro lado, a questão da segurança tem evoluído com
o uso de câmeras de segurança, sensores de presença e etc. Neste contexto, o
presente trabalho aborda tais tópicos com enfoque em uma aplicação a automação
residencial. No que diz respeito ao consumo de energia ele permite que o usuário
controle a iluminação de sua residência de forma automática. Já no contexto da
segurança, ele permite que com essa abordagem automática a percepção de
presença na residência seja constante, visando assim a coibir possíveis ações de
invasões. Assim, este trabalho apresenta um projeto de automação residencial sem
ter a necessidade de uma reestruturação da casa. Essa automação é controlada por
um ambiente Web que permite o acionamento das luzes residenciais de forma
remota. O sistema foi desenvolvido utilizando um gerenciador de automação
residencial em PHP e a plataforma Arduino.
Palavras Chaves: Microcontrolado, Automatização, Ambiente Web.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Arduino UNO versão 3. .............................................................................. 14
Figura 2: Arduino Ethernet Shield. ............................................................................ 16
Figura 3: Relé. ........................................................................................................... 17
Figura 4: Rede Ponto-a-Ponto. .................................................................................. 20
Figura 5: Rede Multiponto. ........................................................................................ 21
Figura 6: Acionadores. .............................................................................................. 29
Figura 7: Montagem Arduino, Relé e Lâmpada. ........................................................ 31
Figura 8: Loop de Funcionamento Arduino. .............................................................. 32
Figura 9: Xampp. ....................................................................................................... 33
Figura 10: Acionamento Xampp. ............................................................................... 33
Figura 11: Funcionamento do projeto. ....................................................................... 36
Figura 12: Página de cadastrado utilizada no sistema. ............................................. 37
Figura 13: Página de login utilizada no sistema. ....................................................... 38
Figura 14: Página principal do sistema Web. ............................................................ 38
Figura 15: Foto do sistema em funcionamento. ........................................................ 39
Figura 16: Foto da montagem do Arduino. ................................................................ 39
Figura 17: Esquema do Arduino. ............................................................................... 40
Figura 18: Lampada Acesa. ...................................................................................... 41
Figura 19: Sistema em funcionamento com lampada acesa. .................................... 41
Figura 20: Lampada Apagada. .................................................................................. 42
Figura 21: Sistema com a lampada apagada. ........................................................... 42
Figura 22: Atalho. ...................................................................................................... 47
Figura 23: Executar. .................................................................................................. 47
Figura 24: Prompt de comando. ................................................................................ 48
Figura 25: IP do roteador. ......................................................................................... 48
Figura 26: Login no Roteador. ................................................................................... 49
Figura 27: Direcionamento de Porta. ......................................................................... 49
Figura 28: IDE do Arduino. ........................................................................................ 50
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Atmel AVR - é um microcontrolador RISC de chip único (AVR não possui definição)
C/C++ - É uma linguagem de programação multiparadigma e de uso geral
USB - Universal Serial Bus
CPU - Central Processing Unit
SGAR - Sistema de Gerenciamento de Automação Residencial
TCP - Transmission Control Protocol
IBC-BR - Índice de Atividade Econômica do Banco Central-Brasil
ISP - Instituto de Segurança Pública
SRAM - Static Random Access Memory
IP - Internet Protocol
UDP - User Datagram Protocol
RJ-45 - Conector para redes de computadores
PoE - Power over Ethernet
AURESIDE- Associação Brasileira de Automação Residencial
VRC - Vertical Redundancy Checking
LRC - Longitudinal Redundancy Check
ASCII - American Standard Code for Information Interchange
CSMA - Carrier Sense Multiple Access
PHP - Hypertext Preprocessor
IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers
RF - Requisitos funcionais
RNF - Requisitos não funcionais
LAN - Local Area Network
MAM - Metropolitan Area Network
WAM - World Area Network
TIA/EIA-485 - Telecommunications Industry Association/Electronic Industries Alliance
IDE - Integrated Development Environment
BSC - Binary Syncronous Comunications
SDLC - Syncronous Data Link Control
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS .................................................................................................. 4
RESUMO..................................................................................................................... 5
LISTA DE ILUSTRAÇÕES .......................................................................................... 6
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ...................................................................... 7
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 11
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .......................................................................... 14
2.1 MICROCONTROLADOR .................................................................................. 14
2.2 ETHERNET SHIELD......................................................................................... 15
2.3 RELÉ ................................................................................................................ 17
2.4 TRANSMISSÃO DE DADOS ............................................................................ 19
2.4.1 CARACTERÍSTICAS DA TRANSMISSÃO .................................................... 19
2.4.1.1 CANAL .................................................................................................... 19
2.4.1.2 SERIAL E PARALELA ............................................................................. 19
2.5 TOPOLOGIA ..................................................................................................... 20
2.5.1 PROTOCOLOS ............................................................................................. 22
2.5.2 HARDWARES DE COMUNICAÇÃO ............................................................. 23
3. AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL ............................................................................ 24
3.1 PRINCIPAIS REQUISITOS A SEREM ABORDADOS ..................................... 26
3.2 ESPECIFICAÇÃO ............................................................................................. 28
3.2.1 PROTOCOLO TCP/IP ................................................................................... 29
3.2.2 ACIONADORES ............................................................................................ 29
3.2.2.1 ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE ........................................................... 31
3.2.2.2 FERRAMENTAS UTILIZADAS ................................................................... 32
XAMPP ............................................................................................................. 32
PHP .................................................................................................................. 34
APACHE ........................................................................................................... 34
MYSQL ............................................................................................................. 35
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................ 36
5. CONCLUSÃO ..................................................................................................... 43
5.1 PERSPECTIVAS FUTURAS ............................................................................ 43
REFERENCIAS BIBILIOGRAFICAS ......................................................................... 44
APÊNDICE I – CONFIGURANDO O ROTEADOR .................................................... 47
APÊNDICE II – CONFIGURANDO O ARDUINO ...................................................... 50
11
1. INTRODUÇÃO
O crescimento da economia brasileira é notável nos últimos anos. Segundo
o IBC-BR (Índice de Atividade Econômica do Banco Central - Brasil), o Brasil se
consolidou como uma das economias mais fortes do mundo. Contudo, problemas
comuns em economias emergentes continuam assolando a sociedade brasileira.
Neste ponto destacam-se: a questão energética e a segurança.
Segundo GOMES (2008, p.11), as crises no setor energético marcaram a
economia brasileira, episódios como o apagão ocorrido em 2008 preocupam toda a
sociedade. Tais problemas caracterizaram-se pela falta de investimentos por parte
do governo, sendo este agravado com o aumento no consumo pela população. O
governo pretende nos próximos anos construir novas usinas termonucleares e
hidrelétricas, tendo destaque à usina de Belo Monte a maior representante dessa
última classe. Tais medidas vão à contramão do que fazem países como a
Alemanha, que desinstalaram as suas usinas termonucleares, preterindo as usinas
eólicas. Outra medida adotada pelo governo brasileiro é a conscientização da
população. Esta tem sido incentivada a adotar medidas de uso racional de energia.
Esses incentivos vão desde a classificação dos eletrodomésticos que consomem
menos energia até a propaganda de medidas para economia na conta de luz. As
concessionárias responsáveis pela distribuição de energia elétrica enviam nas
contas explicações de como economizar energia por meio de medidas simples,
como por exemplo, deixar a roupa suja acumular para utilizar a máquina de lavar na
sua capacidade máxima, reduzindo assim a quantidade de vezes que ela é utilizada.
Outra medida muito utilizada por alguns estabelecimentos públicos e residenciais
são sensores de presença a fim de evitar que as luzes dos corredores fiquem
ligadas o dia inteiro. Alguns estabelecimentos como shopping centers utilizam esses
sensores inclusive nas torneiras dos banheiros provendo uma economia no
consumo de água.
12
A utilização de sensores também vem auxiliando na segurança. De acordo
com o ISP (Instituto de Segurança Pública) a invasão de domicílios em Niterói, por
exemplo, aumentou cerca de 30% nos últimos meses de 2012. Muitas residências já
adotam esquemas de segurança com sensores de movimento e câmeras.
Devido a essas questões, a área de Domótica (tecnologia recente que
permite a gestão de todos os recursos habitacionais) tornou-se mais conhecida.
Essa área visa desenvolver soluções que permitam a automatização das residências
de maneira a prover maior segurança, autonomia e economia. A utilização de
sensores de presença para controlar a utilização de energia elétrica, luz ou mesmo
evitar a invasão do domicílio tem sido cada vez mais frequente.
O foco do presente trabalho é exatamente a área de automação residencial.
Será apresentado um sistema via web para gerenciar dispositivos microcontrolados
de uma residência. Neste sistema, dentro de cada interruptor existirá uma conexão
ligando o mesmo ao Microcontrolador, que fará o controle das lâmpadas. Apesar do
sistema ter sido testado somente com lâmpadas, ele é capaz de controlar qualquer
dispositivo eletrônico. Serão utilizados microcontroladores da plataforma do Arduino
UNO e Ethernet Shield interligados, recebendo e respondendo a central controladora
denominada SGAR.
Este projeto possibilitará ao usuário controlar diversos dispositivos elétricos
que estejam conectados a central com o microcontrolador, através de uma conexão
remota via Web com uma interface totalmente agradável a utilização.
O resultado apresentado pelo trabalho será obtido através de um projeto que
envolve infraestrutura, dispositivos e software de controle. A meta é garantir ao
usuário a possibilidade de controle do ambiente automatizado, dentro ou fora da
casa, tornando prático e eficientemente econômico em termos de energia elétrica.
Dessa forma o trabalho pode ser sintetizado dentro dos seguintes objetivos:
Objetivo geral - desenvolver um sistema web que controle de forma remota
dispositivos em uma residência obtendo uma economia de recursos e permitir que o
usuário acione as luzes da sua residência, assim aparentando a presença humana
13
de forma a desencorajar ações de invasores. Para tanto, uma central de
automatização microcontrolada é desenvolvida. Salienta-se que tal sistema é
dependente de uma conexão com a Internet.
Objetivos específicos:
1 - Apresentar os conceitos de microcontroladores, particularmente do
Arduino, seus componentes, aspectos de eletrônica e programação;
2 - Desenvolver um sistema baseado na arquitetura mestre-escravo, onde
uma central controladora envia os comandos das tarefas a serem executadas aos
microcontroladores;
3 - Desenvolvimento de uma interface simples da central de controle para
fácil utilização de usuários leigos.
O presente texto está dividido conforme descrito a seguir. O Capítulo 2
apresenta a fundamentação teórica, destacando as características dos
microcontroladores, aspectos de hardware e redes. Uma visão geral sobre a área de
automação residencial é apresentada no Capítulo 3. A explicação de como deve ser
feita a configuração e implementação do sistema consiste no Capítulo 4. O
funcionamento do sistema é demonstrado no Capítulo 5, nele são apresentadas as
telas comprovando o funcionamento do trabalho. Por fim, são apresentados a
conclusão e trabalhos futuros.
14
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 MICROCONTROLADOR
Um microcontrolador é um circuito integrado programável que tem a
capacidade de executar tarefas definidas em sua memória interna. O Arduino é uma
plataforma open-source de prototipagem eletrônica que integra flexibilidade visando
facilitar o uso tanto do hardware e do software (ARDUINO, 2012). Ele é constituido
por uma placa única com suporte de entrada/saída, pode captar informações do
ambiente através da porta de entrada que permite integrar atuadores com o meio
externo, por exemplo, sensores. O microcontrolador na placa do Arduino é um Atmel
AVR de 8 bits programado usando a linguagem de programação padrão,
essencialmente utiliza-se C/C++ para enviar os comandos ao Arduino. Projetos do
Arduino podem ser stand-alone, ou seja possuem o código já compilado em seu chip
ou podem comunicar com software rodando em um computador.
O Arduino possui uma interface serial ou USB para interligá-lo a outras
placas ou sistemas. Essa interface permite que o Arduino seja programado e/ou que
interaja com o ambiente em tempo real.
Um importante aspecto é a maneira padrão que os conectores são expostos,
permitindo a CPU ser interligado a outros módulos expansivos, conhecidos como
Shields, que incorporam funções que o Arduino por si só não as possui.
A Figura 1 apresenta uma versão do Arduino. Nesta versão estão presentes
as portas USB, memória e conectores.
15
Figura 1- Arduino Uno Versão 3
Fonte: http://www.Arduinodolito.com.br/wp-content/uploads/2012/10/Partes-de-um-Arduino.png
2.2 ETHERNET SHIELD
O Arduino Ethernet Shield permite que uma placa Arduino conecte-se à
internet (Figura 2). Ele baseia-se no chip WIZnet ethernet W5100 (datasheet). O
W5100 WIZnet fornece uma rede IP (Internet Protocol) e utiliza os protocolos TCP
(Transmission Control Protocol) e UDP (User Datagram Protocol). Ele suporta até
quatro conexões de soquete simultâneas. A Ethernet Shield conecta-se a uma placa
Arduino usando longos pinos (cabeçalhos que se estendem através do Shield). Isso
mantém a pinagem intacta e permite que outro shield possa ser colocado por cima
no momento da montagem.
16
A Ethernet Shield possui uma conexão RJ45 padrão, com um transformador
de linha integrado e Power over Ethernet (PoE) habilitado. O PoE é a tecnologia que
descreve uma forma segura de passar energia elétrica juntamente com os dados por
cabos Ethernet.
Existe um espaço para cartão microSD, que pode ser usado para armazenar
arquivos para servir através da rede. O leitor do cartão microSD fica acessível
através da Biblioteca SD do Arduino.
Figura 2: Arduino Ethernet Shield.
Fonte: http://Arduino.cc/en/uploads/Guide/ArduinoWithEthernetShield.jpg
Foi utilizada a Ethernet Shield, pois ela possui um protocolo de mais fácil
utilização (TCP) e confiável, ao contrario da Shield Xbee que utiliza o protocolo
Zigbee e disponibiliza acesso através de rede sem fio, podendo sofrer maior
instabilidade, causada por agentes externos.
O TCP é o protocolo utilizado para estabelecer a conexão entre o Arduino e
o host externo, sendo este ultimo o responsável pelo envio dos comandos.
Para o Arduino UNO com ATMEGA168, um microcontrolador AVR 8-bit com
2K SRAM, é impossível implementar uma pilha TCP completa. Por isso, ao invés de
17
implementar o protocolo TCP completo, um único pacote de dados é utilizado. Todo
conteúdo web, deve estar em um único pacote. O comprimento do pacote é limitado
pelo tamanho da SRAM. Atualmente, 500 bytes são usados para o buffer de pacotes
de rede Arduino. Isso é suficiente para enviar dados através de páginas simples
como a que será implementada.
A partir desta conexão o usuário será redirecionado para a página
personalizada onde terá todos os atuadores disponíveis, para interagir em seu
ambiente. Todavia para realizar a interação entre os dispositivos desenvolvidos com
o Arduino e um ambiente real precisamos de mais um dispositivo, os chamados
Relés.
2.3 RELÉ
Os relés (Figura 3) são componentes eletromecânicos capazes de controlar
circuitos externos de grandes correntes a partir de pequenas correntes ou tensões,
ou seja, acionando um relé com uma pequena voltagem 5 volts e 50 miliamperes
podemos controlar um motor que esteja ligado em 127 ou 220 volts em 2 ampéres,
por exemplo.
Os relés funcionam da seguinte forma: quando uma corrente circula pela
bobina, ela cria um campo magnético que atrai um ou uma série de contatos
fechando ou abrindo circuitos. Ao interromper essa corrente o campo magnético
também será interrompido, fazendo com que os contatos voltem para a posição
original.
Os relés podem ter algumas configurações referentes aos seus contatos:
eles podem ser NA (normalmente aberto), NF (normalmente fechado) ou ambos.
Os contatos NA são os que estão abertos enquanto a bobina não está
energizada e que fecham, quando a bobina recebe corrente. Os NF abrem-se
quando a bobina recebe corrente, ao contrário dos NA. O contato central ou C é o
18
comum, ou seja, quando o contato NA fecha é com o C que se estabelece a
condução e o contrário com o NF.
Figura 3: Relé
Fonte: http://huilyrobot.tripod.com/compo/rele.gif
O objetivo do relé é utilizar pequena quantidade de energia eletromagnética
(proveniente, por exemplo, de um pequeno interruptor ou circuito eletrônico simples)
para mover uma armadura que possa gerar uma quantidade de energia muito maior.
A principal vantagem dos Relés em relação aos SCR e os Triacs1 é que o
circuito de carga está completamente isolado do circuito de controle, podendo
inclusive trabalhar com tensões diferentes entre controle e carga. A desvantagem é o
fator do desgaste, pois em todo o componente mecânico há uma vida útil, o que não
ocorre nos tiristores.
Devem ser observadas as limitações dos relés quanto a corrente e tensão
máxima admitida entre os terminais. Se não forem observados estes fatores a vida
útil do relé estará comprometida, ou até mesmo a do circuito controlado.
1 O SCR, também conhecido como tiristor, é um dispositivo semicondutor NPNP de 4 camadas. Em
seu estado normal o SCR bloqueia a passagem de corrente (ou tensão) entre os seus dois
terminais(corrente continua).
O triac também é um componente de três terminais, um dos quais controla o fluxo de corrente nos
outros dois (correte alternada).
19
2.4 TRANSMISSÃO DE DADOS
Segundo ROKENBACH (1979, p.4), “a transmissão consiste, basicamente,
em se fazer chegar uma informação a um ponto distante do local em que foi gerada".
O dispositivo que gera a informação é o transmissor, e o que recebe é o
receptor. Mais de um receptor pode receber a informação ao mesmo tempo,
dependendo da topologia da rede local.
Toda e qualquer informação passa através de sinais em meio físico, que
basicamente são: digital e analógico. Na transmissão digital (utilizada nesse
trabalho), os sinais possuem apenas dois estados elétricos: ligado e desligado o que
facilita na ativação dos dispositivos. Na transmissão analógica, os sinais elétricos
variam continuamente entre todos os valores possíveis.
2.4.1 CARACTERÍSTICAS DA TRANSMISSÃO
As principais características da transmissão de dados são: canal,
transmissão serial e paralela.
2.4.1.1 CANAL
Canal é o meio de transmissão que pode ser de entrada, de saída ou de
entrada e saída. Suas definições são:
Simplex: pode levar a informação apenas para uma direção;
Half-duplex: pode levar a informação para ambas as direções, mas não
simultaneamente. Este método é o utilizado nesse trabalho;
Full-duplex: podem levar as informações para ambas as direções ao mesmo
tempo.
2.4.1.2 SERIAL E PARALELA
Em um aparelho eletrônico digital a informação é constituída em bytes que
são formatos por um conjunto de bits (8bits). A comunicação se dá por meio da
20
transmissão desses bits de um aparelho para o outro. Essa transmissão pode ser
realizada de duas maneiras: serial ou paralela.
Na primeira, os bits são enviados um de cada vez através de um mesmo
barramento, sendo necessária a utilização de algum mecanismo de controle para
que seja delimitado o término de um bit e o início do bit seguinte. Tal controle é feito
por meio da contagem de tempo de acordo com a velocidade de transmissão do
aparelho em questão, aparelhos distintos poderão possuir diferentes velocidades de
transmissão. A velocidade de transmissão do Arduino é 9600 bps.
Na transmissão paralela, os bits são transmitidos ao mesmo tempo e cada
barramento representa um bit, o que ocasiona uma transmissão mais rápida, porém
limitada a curtas distâncias, há um maior numero de canais de transmissão e
maiores interferências do meio.
2.5 TOPOLOGIA
A topologia está ligada com a distribuição geográfica dos nodos e dos elos
da rede.
Um nodo ou nó representa cada ponto de interconexão com uma estrutura
ou rede, independente da função do equipamento representado por ele.
Nodo pode ser avaliado como um computador da rede. Elo é a linha de
transmissão de dados entres dois nodos.
Os tipos básicos de topologias de rede são:
Ponto-a-ponto: é o tipo mais simples da rede, não há necessidade de
endereçamento dos pacotes, pois utiliza um único canal para conectar
um computador ao outro na rede (Figura 4).
21
Figura 4: Rede Ponto-a-Ponto
Multiponto: há necessidade de endereçamento de pacotes
transmitidos, pois dois ou mais computadores se conectam através do
mesmo canal. Neste tipo geralmente existe uma central, que controla o
trafego de dados. Uma técnica bastante utilizada no multiponto é o
polling (Figura 5).
Quando esses dois tipos sofrem variações, são chamados de estruturas
mistas.
Figura 5: Multiponto
22
2.5.1 PROTOCOLOS
Para que o receptor receba e interprete as informações enviadas pelo
transmissor corretamente, é necessário que existam algumas regras. Segundo
AXELSON (2000, p.4), “protocolo é um conjunto de regras que definem como os
computadores vão gerenciar a sua comunicação”. Esses protocolos são orientados a
caractere ou a bit.
a. Orientado a caractere: é baseado no código binário de
um conjunto de caracteres. O mais comum utilizado é o
ASCII (American Standard Code for Information
Interchange). Existe um caractere que indica o inicio da
transmissão, outro que indica o inicio do texto, outro o fim
da transmissão, e assim por diante. Um exemplo seria o
BSC (Binary Syncronous Comunications), também
conhecido como bysinc. Este é um protocolo padrão IBM
que opera em sistemas de transmissão síncronos, half-
duplex. O protocolo opera de forma mestre escravo.
b. Orientado a bit: São protocolos que não utilizam
caracteres especiais para delimitar blocos de mensagem.
Todo o controle é tratado em nível de bit.
Um exemplo seria o SDLC, este protocolo foi desenvolvido pela IBM para
substituir o BSC em conexões em grandes áreas entre equipamentos IBM utilizando
modos de operação ponto-a-ponto ou multiponto, half ou full-duplex. O SDLC é um
protocolo mestre-escravo, ao contrário de outros como o HDLC, Frame-Relay e o
X.25 que são democráticos pois, cada um dos pontos ou nós da rede funciona tanto
como cliente quanto como servidor (peer-to-peer). Uma rede com protocolo SDLC é
composta basicamente por uma estação primária, que controla toda a comunicação
e uma ou mais estações secundárias (um sistema multiponto). (TAFNER; LOESCH;
STRINGAI, 1996, p. 36).
23
2.5.2 HARDWARES DE COMUNICAÇÃO
A conexão física entre os dispositivos de uma rede pode ser feita por cabos,
ondas (redes sem fio), etc. Cada uma dessas tecnologias possui suas
características próprias que vão torná-las mais adequadas a cada tipo de aplicação.
Essas características incluem a interface de conversão do computador para o meio e
a distância entre os nodos e a topologia suportada.
24
3. AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL
A domótica, como é chamada a automação residencial, é a utilização simultânea da
eletricidade, eletrônica e das tecnologias da informação no ambiente residencial,
permitindo realizar a sua gestão local ou remota e oferecer uma gama de aplicações
integradas nas áreas da segurança, comunicação e gestão de energia (Roque,
2008).
A realidade colocada pela AURESIDE em 2010 (Associação Brasileira de
Automação Residencial) mostra que o mercado voltado para esse campo da
tecnologia passa por grandes desafios dos desenvolvedores, os quais possuem
como principal problema a dificuldade ou impossibilidade de integração de todas as
funções exercidas pela automação existente dentro de uma residência.
“Sistemas inteligentes de iluminação podem acentuar os detalhes
arquitetônicos de uma sala ou criar um clima especial, seja ele romântico ou festivo.
O acionamento de equipamentos automaticamente pode inibir possíveis intrusos,
fazendo-a parecer ocupada na ausência de seus proprietários” (SENA, 2005, p. 54).
Economia de eletricidade é outra vantagem, pois a intensidade de luz é regulada
conforme a necessidade e as lâmpadas não precisam ficar totalmente acesas como
acontece normalmente.
O mais simples tipo de controle de iluminação requer pouco mais que
módulos ligados em tomadas. Estes módulos têm duas formas básicas: uma tomada
especial que substitui as tomadas convencionais ou um módulo externo que é
plugado às tomadas (no caso de abajures, por exemplo). Estes módulos recebem
um endereço digital que será utilizado pelos controladores para identificá-los quando
emitir um sinal a ele dirigido.
Alguns conceitos são vistos ainda como céticos, sendo mostrados como
futuristas. No artigo “Estamos preparados para a automação residencial?”, escrito
por José Roberto Muratori, uns dos fundadores da AURESIDE, as estatísticas
25
apontam que apenas uma pequena parte, em torno de 10 a 15% dos indivíduos
consideram-se receptivos as novas tecnologias. Portanto, há a necessidade de o
projetista de automação residencial possuir além do conhecimento técnico,
informações que caracterizam a aceitação dessa tecnologia pelos usuários.
Os controles e processos atuantes no ambiente das residências inteligentes
devem ser unificados, proporcionando a execução automática de tarefas diárias e
prevenções, como fechamento de janelas e irrigação de jardins. Para tanto, a
implementação de um ambiente inteligente deve observar diversos novos fatores
que terão implicações diretas no projeto das construções residenciais, tais como:
· A organização dos sistemas de informática;
· Os sistemas de gerenciamento da residência;
· A configuração das redes interna e externa de comunicações;
· Adaptação aos vários moradores;
· Conexão com serviços públicos de telecomunicações;
· Proporcionar flexibilidade;
· Introdução de novos equipamentos e dispositivos, que demandaram novos
paradigmas de organização dos espaços internos e externos.
Com isso, a automação residencial se configura num desafio do presente,
devendo prover ao usuário interfaces amigáveis e descomplicadas, como também
disponibilizar a informação e possibilidade de controle da residência a partir de
qualquer lugar, através da Internet, de modo a utilizar a eletrônica como “plano de
fundo” para colocar em primeiro plano a sociabilidade e bem-estar do usuário.
Dessa forma o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema
para automação residência visando à economia de energia. Dirigindo-se para
elucidar os passos seguidos nesse desenvolvimento os seguintes tópicos são
abordados:
a) Análise e especificação dos requisitos do problema a ser trabalhado;
b) Especificação dos protocolos de comunicação entre a central e os usuários;
26
c) Especificação das placas dos acionadores através de esquemas elétricos;
d) Especificação do software da central e dos acionadores através de
fluxogramas;
e) Especificação do software da Central através de diagramas de casos de uso,
classes e diagramas de sequência;
f) Implementação do software dos acionadores usando linguagem C;
g) Implementação do software da Central utilizando PHP;
h) Estudos de caso do sistema.
3.1 PRINCIPAIS REQUISITOS A SEREM ABORDADOS
“A parte mais árdua na construção de um sistema de software é decidir o que
construir. Nenhuma outra parte do trabalho compromete mais o sistema se for feito
de forma imprópria. Nenhuma outra parte é mais difícil de corrigir a posterior”.
(BROKS Jr, 1987).
Requisitos são objetivos ou restrições definidas por clientes que decidem as
propriedades do sistema. Os requisitos de software são, obviamente, aqueles dentre
os requisitos de sistema que dizem respeito a propriedades do software.
Eles englobam todas as atividades que contribuem para a produção de um
documento de requisitos e sua manutenção ao longo do tempo. Podendo ser
mensurável, por exemplo, tempo médio de atendimento de requisições, ou avaliado
subjetivamente, por exemplo, qualidade da documentação.
Eles podem ser classificados de duas maneiras: Requisitos funcionais (RF) e
os Requisitos não funcionais (RNF).
Requisitos funcionais (RF) descrevem as funcionalidades ou serviços que se
espera do sistema (funções precípuas do sistema). Exemplo: “o sistema deve
notificar o requisitante por e-mail quando sua requisição estiver disponível para
retirada”.
Este trabalho possui os seguintes requisitos funcionais:
27
Ligar e desligar objetos elétricos pelo computador via internet: o sistema
deve permitir ligar ou desligar qualquer objeto elétrico através do site de
controle. Exemplos de objetos elétricos: rádio; bomba para irrigação; motor da
piscina; portão eletrônico, e o principal demonstrado nesse projeto, as
lâmpadas.
Monitorar continuamente, independente de o usuário estar operando. Para
isso o site deverá ter algum poder de processamento e armazenamento das
variáveis geradas pelos acionadores.
Permitir o controle de luminosidade: este é um requisito complementar ao
anterior, pois o sistema deve permitir que as lâmpadas sejam ligadas e
desligadas.
Requisitos não funcionais (RNF) são requisitos não diretamente
relacionados às funções essenciais do sistema. Exemplos: requisitos de
confiabilidade, robustez, eficiência e segurança.
Este trabalho possui os seguintes requisitos não funcionais:
Objetos elétricos possuem somente dois estados: ligados ou desligados, sem
fazer controle de intensidade da luminosidade ou velocidade de motores.
Para controlar isso, são usados relés. Como os relés possuem uma limitação
em corrente, não é qualquer dos dispositivos elétrico que pode ser ligado.
Quem controlará os estados dos dispositivos é a placa acionadora.
Permitir interruptores convencionais nas placas acionadoras: para evitar que o
local onde o sistema será instalado tenha que se adaptar visualmente a ele, é
necessário que as placas acionadoras sejam acionadas por interruptores
convencionais. Para isso o acionador deve processar os estados do
interruptor, que poderá ser diferente do estado do dispositivo elétrico.
28
Possuir uma interface fácil de ser usada: a interface deverá tornar o uso do
sistema intuitivo para qualquer usuário que conheça o básico de informática.
Deverá ter algum tipo de suporte a fim de saber qual acionador está
selecionado, sem obrigar o usuário a decorar os endereços dos acionadores.
Transmitir dados de forma assíncrona: a transmissão serial deverá ser
assíncrona. Como o numero de acionadores será variável e deverá possuir
uma autonomia para serem detectados na central sem ter sido programado,
os pacotes seriais não obedecerão a rígidos tempos na transmissão.
Possuir proteção dos circuitos contra defeitos: as placas acionadoras devem
possuir alguns dispositivos de segurança para evitar consequências maiores
em caso de falha.
Ter a características de não interferir esteticamente na residência; o sistema
não pode aparecer onde for instalado e para isso deverá ser utilizada a
estrutura do local para fazer a comunicação e alimentação dos acionadores.
Este requisito torna o projeto diferente por permitir que o sistema seja
instalado em qualquer local sem planejamento de uma automação. É um
requisito especialmente importante para implementações futuras quando a
central e os acionadores terão uma função de alarme na residência também.
3.2 ESPECIFICAÇÃO
A comunicação entre o site e o Arduino será feita por meio da utilização de
um protocolo TCP/IP. A adoção de um protocolo específico visa aperfeiçoar ao
máximo o tamanho dos pacotes trocados entre os objetos.
29
3.2.1 PROTOCOLO TCP/IP
Existem diversos tipos de usuários e diversos tipos de aplicações, assim
como existem tecnologias de redes que se adéquam melhor a cada perfil de usuário.
O problema começa a surgir quando precisamos conectar diferentes tecnologias de
rede de forma transparente, logo será necessário um protocolo comum que
independente da tecnologia de rede utilizada permita essa comunicação. Neste
contexto, o protocolo TCP/IP (Transport Control Protocol / Internet Protocol) vem
suprir esta necessidade dando total transparência aos usuários finais das diversas
tecnologias de rede empregadas pelas diversas LANs, MANs, WANs existentes,
mascarando todos os detalhes da tecnologia de hardware utilizada.
O TCP/IP é um conjunto de protocolos de comunicação entre computadores
em rede (também chamado de pilha de protocolos TCP/IP). Seu nome vem de dois
protocolos: o TCP (Transmission Control Protocol - Protocolo de Controlo de
Transmissão) e o IP (Internet Protocol - Protocolo de Interconexão). O conjunto de
protocolos pode ser visto como um modelo de camadas, onde cada camada é
responsável por um grupo de tarefas, fornecendo um conjunto de serviços bem
definidos para o protocolo da camada superior. As camadas mais altas estão
logicamente mais perto do usuário (chamada camada de aplicação) e lidam com
dados mais abstratos, confiando em protocolos de camadas mais baixas para
tarefas de menor nível de abstração.
3.2.2 ACIONADORES
Acionadores são equipamentos microcontrolados que devem ser instalados
dentro de tomadas ou interruptores (Figura 6) para respeitar o requisito de não
interferir na estética da residência ele deve ter tamanho reduzido e ter algumas
características que permitam se adaptar aos dispositivos elétricos.
A especificação dos acionadores é dividida em especificação física e
software. Cada um desses assuntos é tratado em um tópico a seguir.
30
Figura 6: Acionadores
Fonte: http://www.alfamatcm.com.br/images/tomadas2.jpg
Especificação física diz respeito à parte eletrônica do sistema. O acionador
precisa possuir algum meio de acionar dispositivos elétricos, possuir uma interface
RS-485 para comunicação com a central, ter algum tipo de entrada binária, possuir
seguranças para evitar que queime o microprocessador e ter um tamanho reduzido
de tal forma que caiba dentro de uma tomada convencional.
A norma TIA/EIA-485, conhecida popularmente como RS-485, descreve uma
interface de comunicação operando em linhas diferenciais capaz de se comunicar
com 32 “unidades de carga”. Entretanto, existem dispositivos que consomem frações
de unidade de carga, o que aumenta o numero de dispositivos a serem interligados.
O meio físico mais utilizado é um par trançado.
Através deste único par de fios, cada dispositivo transmite e recebem dados.
Cada dispositivo aciona o seu transmissor apenas no instante que necessita
transmitir, mantendo-o desligado no resto do tempo de modo a permitir que outros
dispositivos transmitam dados. Em um determinado instante de tempo, somente um
dispositivo pode transmitir, o que caracteriza esta rede como half-duplex.
31
Com o esquema pronto pode-se usar um software de desenho da placa
elétrica. A Figura 7 mostra o desenho da placa do Arduino e do esquema elétrico.
Figura 7: Montagem Arduino, Relé e Lâmpada.
Fonte: http://routeequipe.blogspot.com.br/2012/09/esquema-rele-Arduino.html
3.2.2.1 ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE
A Figura 8 mostra o fluxograma principal do sistema. Observe que antes de
iniciar o loop são iniciadas algumas variáveis para controle. A inicialização das
variáveis do microcontrolador é feita atribuindo valores aos registradores de
configuração das interrupções. Logo em seguida é lido o endereço do acionador.
32
Figura 8: Fluxograma de funcionamento Arduino
3.2.2.2 FERRAMENTAS UTILIZADAS
XAMPP
A utilização do Xampp no trabalho é baseada no fato de que ele é um
software livre independente de plataforma (Microsoft Windows, GNU/Linux, Solaris e
MacOS X), que consiste na base de dados MySQL, o servidor Web Apache e os
interpretadores para linguagens de script: PHP e Perl. É um sistema portátil, que
pode ser executado sem a necessidade de instalação (Figura 9).
33
Figura 9: XAMPP
A Figura 10 mostra como é simples ativar e desativar recursos que devem
ser utilizados no projeto.
Figura 10: Acionamento do XAMPP
34
PHP
O PHP (Hypertext Preprocessor) é uma linguagem de script open source de
uso geral, muito utilizada e especialmente guarnecida para o desenvolvimento de
aplicações Web embútivel dentro do HTML (HyperText Markup Language). Entre as
principais funções que determinaram a escolha de utilização do PHP neste trabalho,
está o fato de ele ser executado no servidor. Com isso, o código nunca é mostrado
ao usuário final mantendo a integridade do código.
O PHP surgiu em meados de 1994, como um pacote de programas CGI,
com o nome de Personal Home Page Tools, para substituir um conjunto de scripts
Perl que era utilizado no desenvolvimento de sua pagina pessoal.
O PHP já se mostrou superior ao ASP2 em quesitos como simplicidade de
conexão a bancos de dados, desempenho e gerenciamento de memória, além de
ser distribuído sob licença GPL (General Public License) e de rodar em inúmeras
plataformas.
APACHE
O trabalho utiliza linguagens interpretadas pelo navegador, com isso é
necessário à utilização de um servidor web capaz de interpretar as consultas que
chegam à porta associada ao protocolo HTTP (por padrão, porta 80), e de fornecer
uma resposta com este mesmo protocolo.
Entre os principais servidores web está o Apache (www.apache.org) sendo o
servidor mais conhecido da Internet. É uma aplicação que roda em diferentes tipos
de sistemas operacionais.
O nome Apache foi tirado do modo como ele foi desenvolvido ("A patchy
server”), pois é o produto de uma série de correções dos softwares, para torná-lo
uma solução segura.
2 ASP: (Active Server Pages) é uma estrutura de bibliotecas básicas (e não uma linguagem) para
processamento de linguagens de script no lado servidor para geração de conteúdo dinâmico na Web
35
Logo que as falhas de segurança são detectadas, elas são corrigidas
imediatamente e uma nova versão do aplicativo é publicada.
MYSQL
O MySql é um gerenciador de banco de dados gratuito e de código aberto, ele
se destaca por ser desenvolvido pela colaboração de sua comunidade, através do
modelo de Software Livre . Ele utiliza a linguagem de programação SQL (Structured
Query Language), que é um padrão e a linguagem mais usada em bancos de dados.
Existem vários bancos de dados que suportam e seguem o padrão SQL, porém cada
um deles possui extensões proprietárias que possibilitam novas funcionalidades ao
padrão. Na internet atual, praticamente todos os servidores de hospedagem
suportam MySQL, exatamente pelo fato dele ser gratuito como o PHP e os dois
trabalharem muito bem em conjunto. (Pedro M. C. Neves e Rui P. F. Ruas, 2005, p.
21).
Alguns concorrentes do MySQL são: Oracle, PostgreSQL, SQLServer e
Firebird. Entre estes, o único banco de dados de grande porte totalmente livre e com
código fonte aberto é o MySQL.
36
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
O fluxograma representado pela Figura 11 mostra o funcionamento do
projeto desenvolvido.
Figura 11: Funcionamento do projeto
Inicialmente, se faz necessário o cadastro do usuário no banco de dados,
para que o mesmo possa ter acesso ao sistema Web, Este cadastro é feito por meio
de uma pagina desenvolvida em PHP, onde somente o administrador do sistema,
que é o responsável pela implantação do sistema em residências, tem acesso ao
cadastramento de usuário e senha (Figura 12).
37
Figura 12: Página de castrado utilizada no sistema.
Depois que o administrador fizer o cadastramento do usuário com seus
dados, o cliente estará habilitado ao acesso no sistema Web por meio da página de
login.
Na realização do cadastrado dos dados no banco de dados o campo senha
é criptografada utilizando a tecnologia MD5, dificultando assim, que outros usuários
possam ter acesso à senha. Em seguida, a senha já criptografada no banco de
dados, permite a validação do usuário.
Figura 13: Página de login utilizada no sistema
38
Na página inicial do sistema Web, aparece a tela de login, mostrada na
Figura 13, onde o usuário terá que digitar seu login e senha para acessar o sistema
Web de sua residência. Ao clicar em “Enviar” o sistema realiza uma consulta no
banco de dados, para confirmar se o login e senha são válidos. Em caso positivo o
sistema redireciona para a página principal do sistema.
Figura 14:Página principal do sistema Web.
Fonte da planta: http://www.ionline.com.br/wp-content/imagens/planta-casa2.png
A Figura 14 mostra a página principal do sistema Web, que foi toda
desenvolvida em HTML e PHP, pelo fato de ser uma ferramenta altamente utilizada
em Web e ser uma página leve, podendo ser utilizada em internet com pouca largura
de banda.
39
Figura 15: Foto do sistema em funcionamento.
A interface do programa foi criada como um modelo de casa com poucos
cômodos, podendo ser alterada de acordo com a residência a ser instalada.
Outra caracteristica desse sistema, é que o mesmo pode ser utilizado em
qualquer lugar e hora, basta ter acesso a internet (Figura 15).
Figura 16: Foto da montagem do Arduino
40
As Figuras 16 e 17 mostram a montagen do sistema com o Arduino.
Ao selecionar um dispositivo em algum cômodo ele já estará atualizado no
banco de dados com o status de ligado ou desligado, de acordo com os dados
anteriormente modificados no banco de dados.
Figura 17: Esquema do Arduino
Ao clicar sobre um determinado botão de um dispositivo, o mesmo envia um
comando PHP, confirmando alguma ação realizada, seja de desligar ou de ligar uma
lâmpada. Sabendo desses dados, é realizada o envio do comando para o Arduino
atualizando o sistema.
41
Figura 18: Lampada Acesa.
Cada uma das lâmpadas pode receber como valor ON e OFF, representando
ligado e desligado respectivamente. Por exemplo, o campo Luz_Quarto1 com valor
ON, representa que a luz do cômodo está ligada (Figura 18 e 20).
Figura 19: Sistema em funcionamento com lâmpada acesa.
O sistema foi desenvolvido no intuito de além de fornecer os benefícios da
automação ser um sistema eficiente, seguro e de fácil utilização (Figura 19 e 21).
42
Figura 20: Lampada apagada.
Com o uso do PHP foi possível implantar métodos de criptografia para a
segurança do dados informados e mecanismos de bloqueios a usuários não
cadastrados, que aliado ao banco de dados MySQL tornaram as páginas dinâmicas,
ou seja, sofrem alterações de acordo com as ações.
Figura 21: Sistema com a lampada apagada.
43
5. CONCLUSÃO
A sociedade moderna tem sofrido inúmeros problemas no uso racional dos
recursos naturais e de segurança. Os avanços tecnológicos dos últimos anos
permitiram que algumas das questões envolvidas nesses problemas fossem
abordadas. O uso de sensores de presença permitem que os gastos de água e luz
em residências, shoppings, empresas sejam reduzidos consideravelmente. Tais
sensores associados com cameras permitem que locais sejam mais seguros. Neste
contexto, o presente trabalho apresentou um sistema desenvolvido com plataforma
Arduino para a automação de uma residência (domótica).
O Arduino é uma plataforma open-source de prototipagem eletrônica que
integra flexibilidade visando facilitar o uso tanto do hardware e do software. Esse
trabalho desenvolveu um sistema de baixo custo para automação de uma
residência. Tal sistema permite que residências inteligentes sejam monitoradas via
Web, sendo o resultado da interação da internet com a automação, permitindo o total
controle de diversos cômodos e dispositivos existentes com muita praticidade.
A utilzação do sistema na Web possibilitou ao usuário final ter a praticidade
de escolher o que lhe for mais conveniente dentre celulares, tablets, computares ou
qualquer eletrônico que possua conexão com a internet.
A interface do site foi criada para facilitar o usuário final. Bastando poucas
instruções para operar todo o sistema.
5.1 PERSPECTIVAS FUTURAS
Como continuação do projeto objetiva-se a integração do sistemas a fontes
de energia renováveis, como energia solar. Além disso, um aplicativo para
smartphones também deverá ser desenvolvido utilizando a plataforma Android.
44
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46
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SUSTENTABILIDADE. 2008. Monografia (Curso de Física do Centro de Ciências e
Tecnologia da Universidade Estadual do Ceará).
47
APÊNDICE I – CONFIGURANDO O ROTEADOR
Inicialmente deve-se descobrir o IP do roteador, no sistema operacional Windows
aperte as teclas Windows (bandeira do Windows) + R conforme indicadas na Figura
22.
Figura 22: Atalho.
Fonte: http://0.malwareexperts.com/wp-content/uploads/2011/12/windows-key-r-key-keyboard.png
Logo em seguida irá aparecer à tela do executar (Figura 23), digite cmd e
clique OK para abrir o Prompt de comando.
Figura 23: Executar.
48
Após esse comando basta escrever na tela do Prompt de Comando (Figura
24) a palavra IPCONFIG para descobrir qual o IP do roteador, ele aparece na linha
do Gateway padrão (esses campos estão destacados com um sublinhado vermelho).
Figura 24: Prompt de Comando.
Sabendo o IP do roteador, digite esse numero no navegador para acessar a
área administrativa, conforme na Figura 25.
Figura 25: IP no Navegador.
O usuário e senha geralmente são informados na parte de baixo do roteador,
caso o administrador da rede não tenha alterado esse valor é padrão (Figura 26).
O roteador utilizado nesse projeto foi um NetGear WGR614v9, caso o
utilizado no projeto seja diferente desse, pode-se encontrar o manual na internet.
Ele mostrará como configurar o direcionamento dos pacotes.
49
Figura 26: Login Roteador.
Caso a página esteja na internet, ela deve acessar o IP público do roteador.
Para verificar o IP público basta acessar esse site: http://meuip.com.br/ e adicionar
ao código PHP este IP.
Agora é necessário definir nas configurações do roteador que todo acesso à
porta 8090 será redirecionado ao IP local e Porta do Arduino. Para isso, procure no
Google por “Redirecionamento Porta” + o modelo do seu roteador que com certeza
achará instruções (Figura 27). (Em inglês: “port forwarding”).
Figura 27: Direcionamento de porta
50
APÊNDICE II – CONFIGURANDO O ARDUINO
Para executar os comandos que o Arduino irá receber é necessário uma IDE
(Integrated Development Environment) que pode ser baixada diretamente no site do
fabricante (Figura 28).
Desenvolvida pela mesma equipe que mantém o hardware, a IDE segue a
mesma ideia open-source, e o código fonte é liberado para download no site oficial.
Como a IDE é feita em Java ela se torna multiplataforma.
Dentro da IDE Arduino existe um compilador que realiza as análises (léxica,
sintática e semântica) no código digitado e sinaliza os possíveis erros. Esses
arquivos de códigos fonte gerados pelo compilador são chamados sketchs. De
dentro da própria IDE o desenvolvedor faz o upload dos sketchs para a placa
Arduino. Durante o upload o compilador converte os sketchs em arquivos assembly
e transfere para a placa via porta serial.
Figura 28: IDE do Arduino.