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DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL DE BAIXO CUSTOCOM ACESSO REMOTO VIA WEB

MARCOS E. TRETER, LUIZ P. P. JUNIOR, CLAITON M. FRANCHI, LEANDRO MICHELS

Universidade Federal de Santa MariaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Av. Roraima, 1000, Camobi, Santa Maria, RS, 97105-900E-mails: [email protected], [email protected],[email protected], [email protected]

Abstract - This paper presents a low-cost residential automation system development based in open source software tools. In thiswork is developed a web-based supervisory system using PHP language to manage the main activities of the residence. Thesoftware tools used in the development of this works are based in open-source software, while all hardware system are based inlow-cost components, which reduce the overall cost of the system.

Keywords – Residential automation, Domotic, Supervisory system.

Resumo - Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de automação residencial de baixo custo baseado emferramentas de software de código-livre. No trabalho é desenvolvido um sistema de supervisão web empregando linguagem PHPpara gerenciar as principais atividades da residência. As ferramentas de software utilizadas no desenvolvimento deste trabalhosão do tipo código aberto, enquanto os componentes de hardware são de baixo custo, possibilitando que o custo do sistema finalfosse reduzido.

Palavras-chave Automação residencial, Domótica, Sistema supervisório.

1 Introdução

A automação surgiu com o propósito industrial desubstituir algumas atividades manuais por máquinas.Consequentemente surgiram diversos benefícios naprodução, tais como a melhor qualidade do produtofinal, maior produção, produtos uniformes, menoresperdas, maior segurança aos operários, entre outros.Com o passar do tempo a automação passou a serinserida também no ambiente comercial, com oobjetivos de reduzir a mão-de-obra, melhorar oscontroles internos e otimizar o funcionamento dasempresas.

Nos últimos anos, os sistemas de automaçãotambém passaram a ser empregados nos ambientesresidenciais (Teza, 2002). A automação predial eresidencial (do inglês, home & building automation)é a tecnologia que estuda a automação de um prédioou habitação. Um sistema de automação residencialtípico busca como resultado melhorar aspectos comosegurança, conforto, flexibilidade de uso dosespaços, e, consequentemente, a qualidade de vida deseus moradores (Ferreira, 2010). Sistemas deautomação residencial, em sua maioria permitemacesso remoto via Internet, afim de proporcionar aousuário obter informações e controlar a suaresidência mesmo não estando no local. Sistemascom esse tipo de função vêm se tornando os maispopulares no mercado internacional (Azid, 2011).

Apesar dos benefícios oriundos de um sistema deautomação residencial, estes ainda são encontradosem apenas uma minoria das residências, devido aoalto custo de implementação.

Este trabalho propõe um sistema de automaçãoresidencial de baixo custo que traz os mesmosbenefícios dos sistemas presentes no mercado. Osistema proposto é dividido em seis subsistemas:iluminação, aquecimento solar, controle de acesso,central de alarme, ar condicionado e câmeras desegurança. Nestes subsistemas o usuário podeacionar lâmpadas, criar cenários de iluminação,controlar o sistema de aquecimento solar, abrir osportões da residência, monitorar o alarme, entreoutras atividades.

Para criação do sistema optou-se pelo usoprincipalmente de tecnologias abertas. De acordocom o conceito de padrão aberto, um software abertopode ser implementado livremente sem restriçõeslegais ou comerciais, isto é, se for necessário opagamento de royalties então o software não é aberto(no sentido de livre). (Pantoni, 2009)

O hardware utilizado neste sistema é compostopor uma placa BeagleBone Black (beagleboard.org,2014), que atua como servidor do sistema. Aindacompõem o hardware duas placas controladorasformadas por Arduino UNO (Arduino, 2014) e osdemais circuitos para acionamento dos dispositivoscontrolados pelo sistema. A placa BeagleBone Blackexecuta os softwares que constituem o LAMP(Linux, Apache, Mysql e PHP), ou seja, um sistemaoperacional Linux, um servidor web Apache, umbanco de dados MySQL e a linguagem de script PHP.Por outro lado, as demais placas controladorasexecutam o software de controle local dos sensores eatuadores, e se comunicam com o BeagleBone Blackatravés de uma comunicação Serial.

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

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Para gerenciar estas atividades foi desenvolvidoum sistema de supervisão em PHP (HypertextPreprocessor) acessado via web. Desta forma, épossível que o usuário controle o sistema através dequalquer computador, smartphone ou tablet comacesso à Internet, independente da plataforma ousistema operacional empregado.

2 Sistemas de automação residencial

Um sistema de automação residencial possui oobjetivo de gerenciar todas as informações presentesem uma residência de maneira eficiente. Sãoexemplos: áudio, vídeo, segurança, ar condicionado,iluminação, controle de acesso, consumo de energia,entre outras.

A principal vantagem da automação residencial éa comodidade. Como exemplo, pode-se citar ocontrole de ligar ou desligar automaticamente asluzes através do sistema de supervisão, apossibilidade de criar cenários de iluminação, ocontrole de temperatura ligando ou desligando o arcondicionado mesmo antes de chegar em casa, ouprogramando para ligar automaticamente emdeterminado horário. A segunda vantagem daautomação residencial está associada à segurança.Através do sistema de automação é possívelmonitoramento da residência remotamente através decâmeras de segurança, simulação de presença atravésdo acionamento de lâmpadas em dias e horáriosprogramados, controle de acesso e tambémassociando o sistema de supervisão a central dealarme instalada na casa. Além disso, um sistema deautomação residencial pode ser empregado paraaumentar a eficiência energética da residência,através do acionamento adequado de dispositivoscomo resistência de boilers em reservatório de águaempregando sistemas de aquecimento solar térmico,entre outros.

Um sistema de automação residencial típico écomposto por diversos dispositivos, como o própriosistema de supervisão, os controladores, osatuadores, os sensores e o meio de comunicação,conforme mostra a Figura 1.

O primeiro nível do sistema de automação éconstituído por sensores e atuadores. Os sensores sãodispositivos utilizados para verificar eventos, oumedir grandezas físicas em um sistema edisponibilizar as informações para o controlador(Moreira, 2002). Já os atuadores são dispositivos querecebem uma informação do controlador e executamuma atividade. Normalmente os atuadores recebemum sinal elétrico vindo do controlador e convertemeste sinal em um movimento mecânico, por exemplo,para fechar uma persiana ou abrir um portão.

Figura 1. Composição de um sistema de automação residencial

Em um sistema de automação residencial asinformações são enviadas dos sensores para um oumais controladores. Estes que são dispositivoscapazes de executar funções de controle (lógica,temporização e contagem), além de realizaroperações lógicas e aritméticas, manipulação dedados e comunicação em rede e depois enviar asinformações para os atuadores. Ou seja, é nocontrolador que está boa parte da “inteligência” dosistema. O controlador a ser utilizado varia de acordocom o projeto, sendo normalmente implementadosem microcontrolador de baixo custo.

Por fim, o servidor é o sistema que faz ogerenciamento central do sistema, comunica-se comos controladores e faz a interface com o usuário. Osistema de controle supervisório e aquisição dedados, do acrônimo SCADA (Supervisory Controland Data Acquisition), é o software utilizado paramonitorar, supervisionar e gerenciar as variáveis e osdispositivos do sistema, no caso a residência(RAYSARO, 2012).

3 Sistema Proposto

O sistema proposto tem como foco a automaçãode uma residência. Tem-se como objetivo a criaçãode um projeto que auxilie e facilite algumasatividades rotineiras, melhore a segurança daresidência e que possua um custo acessível. A Figura2 apresenta uma visão geral do sistema desenvolvidoneste trabalho.

Figura 2. Diagrama do sistema de automação desenvolvido

Para o controle dos sensores e atuadores sãoutilizadas duas placas de desenvolvimento Arduino, oprimeiro responsável pelas saídas digitais dailuminação e pelas entradas analógicas de dois


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sensores de temperatura e um sensor de nível. Osegundo controlador é responsável pelas outrassaídas digitais do sistema e também pela entradadigital informando se a central de alarme estádisparada ou não.

Os dois Arduinos utilizam comunicação serialpara se conectarem ao servidor. A placa BeagleBoneBlack (BBB) é utilizada como servidor do sistema.Como os Arduinos possuem um conversor USB paraSerial bidirecional interno, conectou-se diretamenteos mesmos a porta USB da BBB com o auxílio deum HUB USB. No servidor está instalado o sistemade supervisão, através do qual o usuário podeinteragir com a sua residência. O usuário pode seconectar com o sistema de supervisão e gerenciar asua residência de qualquer lugar através de umcomputador, smartphone ou tablet com acesso àInternet.

3.1 SoftwarePara o desenvolvimento do sistema de supervisão

foi utilizado o LAMP, um pacote de softwares, quepossuí o servidor Web Apache, um gerenciador debanco de dados MySQL e a linguagem deprogramação PHP. O LAMP foi instalado sobre umadistribuição do linux pré-instalada na BBB. Éimportante ressaltar que estes componentes doLAMP foram escolhidos por serem código-livre,possuindo licença GNU (General Public License)(Melo, 2007).

A Figura 3 apresenta um diagrama de blocos querepresenta a interação entre os componentes doLAMP. Os elementos contidos no retângulopontilhado representa o servidor, enquanto oelemento contido retângulo ponto-traço representa ocliente, que pode acessar o conteúdo através de umnavegador web qualquer.

Figura 3. Diagrama de blocos do sistema supervisório

3.2 Hardware A placa BBB, utilizada como servidor, está

ilustrada na Figura 4. A BBB, é um computadorexpansível de hardware aberto apresentado pelaprimeira vez em novembro de 2011 pelaBeagleBoard.org, uma comunidade dedesenvolvedores patrocinada pela Texas Instruments(Barret; Kridner, 2013). A BBB é uma placa baseada

no Sitara AM335x da Texas Instruments, compostapor um ARM Cortex- A8 de 1GHz, um aceleradorgráfico 3D POWERVR SGX e uma unidade deprocessamento programável em tempo real. Alémdisso, a BBB possui 512MB de memória RAM,memória flash interna de 2GB (eMMC) e entradapara um cartão MicroSD, portas USB host e device,interface de comunicação Ethernet, saída HDMI,LED e botões, e pode ser alimentada pela porta USBou por uma fonte externa de 5V.

Figura 4. BeagleBone Black

Como o sistema SCADA foi desenvolvido emPHP, o usuário pode acessar o sistema de qualquerdispositivo com acesso à Internet. Assim nãonecessitando entrar em contato direto com a BBB egarantindo maior segurança ao servidor. O hardwaree o software firmware da BeagleBone Black sãoopen-source (Barret, 2013). No sistema deautomação residencial desenvolvido a placa roda osistema operacional Ubuntu Saucy 13.10.

As placas controladoras utilizados neste trabalhosão Arduinos modelo UNO (Arduino, 2014)),mostrada na Figura 5. O Arduino é uma plataformade computação física embarcada, ou seja, um sistemaque pode interagir com seu ambiente por meio dehardware e software (Mcroberts, 2011). A placaArduino UNO é baseada no microcontroladorAtmega328, e possui 14 pinos de I/O, sendo 6possíveis de serem utilizados como PWM. Estespinos operam com saída em 5V e podem fornecer oureceber uma corrente máxima de 40mA.Adicionalmente, a placa possui 6 entradas analógicascom um conversor A/D de 10 bits de resolução e taxamáxima de leitura de 10.000 amostras por segundo.

O Arduino possui um conversor Serial-USBinterno à placa, ou seja, o microcontroladorAtmega328 se comunica por Serial que é convertidaem USB para a comunicação com computadores ououtros dispositivos. A alimentação do Arduino podeser realizada via USB ou a partir de uma fonte detensão externa.

Figura 5. Arduino UNO

Para programar o Arduino utiliza-se o ambientede desenvolvimento (IDE, Integrated DevelopmentEnviroment) do Arduino, que é baseado nalinguagem C permitindo que seja escrito um conjunto


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de instruções passo-a-passo, de forma que a placaexecute essas instruções interagindo com osperiféricos que estiverem conectado a ela (Mcroberts,2011).

3.3 Rede de comunicação Para possibilitar a comunicação entre os dois

controladores Arduino com o servidor BeagleBoneBlack é utilizada uma interface comunicação serial.A topologia empregada é a ponto a ponto, ondeexiste um mestre e um escravo na rede. No sistemaproposto os dois controladores atuam como escravose o servidor como mestre da rede. Logo, sãonecessárias duas conexões Seriais com a BBB.Como a BBB possui apenas uma interface USB,utilizou-se um hub USB para gerar duas saídas queforam ligadas aos Arduinos através de um conversorUSB para Serial.

O Arduino possui uma porta serial e acomunicação ocorre através dos pinos digitais 0 (RX)e 1 (TX), assim como uma conexão USB. Acomunicação entre o Arduino e o PHP é simples, poisas duas ferramentas já possuem funções prontas paraexecutarem a comunicação serial.

Um protocolo de comunicação foi desenvolvidoonde os escravos se comunicam somente quandorecebem uma ordem do mestre. Essa ordem éenviada pelo sistema SCADA e é composta por umbyte. O protocolo desenvolvido possui 84 funções,cada uma acionada por um byte diferente. Oprotocolo possui disponibilidade para ser ampliadoem caso de expansão do projeto.

3.4 Circuitos de acionamento Para o subsistema de iluminação são necessários

dois circuitos de acionamento, um para a iluminaçãosem dimmer e outro para iluminação com dimmer. AFigura 6 ilustra o circuito para o acionamento de umalâmpada sem dimmer. Para cada lâmpada utiliza seum circuito idêntico ao ilustrado nesta figura. Nestecircuito a saída digital do Arduino comanda umtransistor BC547 que atua como chave acionando umrelé, que por sua vez é conectado à rede de energia de220V.

Figura 6. Circuito de acionamento para lâmpadas sem dimmer

A Figura 7 ilustra o circuito para acionamento deuma lâmpada com dimmer. Para cada lâmpadadimerizável deve existir um circuito semelhante aoda figura. Neste circuito o optoacoplador 4N25 éligado ao pino digital 2 do Arduino, pino esteutilizado para interrupções.

O Arduino possui uma função que gera umainterrupção no momento que a tensão cruza por zero.Como a tensão de alimentação é a mesma para todasas lâmpadas é possível utilizar apenas umoptoacoplador 4N25 para verificar quando a tensãocruza por zero.

Figura 7. Circuito de acionamento para lâmpadas com dimmer

O circuito também possui um optoacopladorMOC3021 que é responsável por acionar o Triac.Assim, dependendo da intensidade luminosa definidapelo usuário é ajustado o ângulo de disparo do Triac.Nesse caso é necessário um MOC3021 e um TriacTIC246 para cada lâmpada a ser dimerizável. Éimportante lembrar que este circuito não serve paradimerizar lâmpadas eletrônicas e/o fluorescentes.

Para o subsistema controle de acesso também sãonecessários dois circuitos de acionamento, um para oportão social e outro para o portão da garagem. Parao portão social que possui uma fechadura eletrônica,acionada por uma tensão de 12V, é utilizado ocircuito ilustrado na Figura 8. Para o acionamento dafechadura eletrônica é utilizada uma saída digital doArduino, esta saída aciona um transistor BC547 queatua como chave para acionar um relé, sendo esteconectado a uma fonte de 12V. Por sua vez, quando orelé é acionado a fechadura é destravada.

Figura 8. Circuito de acionamento do portão social

O acionamento do portão da garagem é ilustradona Figura 9. Este circuito utiliza uma saída digital doArduino conectado a um transistor BC547. Otransistor atua como chave acionando diretamente ocontrole remoto do portão.

A central de alarme necessita de apenas umcircuito de acionamento. Sendo que única diferençaem relação ao circuito apresentado na Figura 9, é asubstituição do controle da garagem pelo controle dacentral de alarme.


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Figura 9. Circuito de acionamento do portão da garagem

Para o acionamento do ar condicionado deve-seobter os códigos enviados pelo controle remoto, ouseja, calibrar o sistema para o controle remotoescolhido. Para tanto foi empregada a bibliotecaIRemote do Arduino juntamente a um circuito comLED receptor infravermelho permite executar essatarefa. Com os códigos alocados na memória doArduíno, utilizou-se um circuito com LED emissorinfravermelho conectado a uma porta digital doArduino para emitir os mesmos por infravermelho, eassim controlar o ar condicionado.

O sistema de ar condicionado também informa atemperatura ambiente do cômodo, para istoutilizou-se um sensor de temperatura LM35. Estesensor pode medir a temperatura de -55ºC até 150ºCcom precisão de 0,5ºC.

4 Resultados

Um protótipo experimental foi implementadopara avaliação de desempenho do sistema proposto,cuja foto de parte do sistema é mostrada na Figura10. O sistema foi empregado para emular ofuncionamento de uma residência, e assim testartodas as funcionalidades já descritas do sistemadesenvolvido. O protótipo é composto por umalâmpada incandescente acionada por um circuitodimmer, uma fonte de alimentação de 12V junto deum relé para acionar a fechadura eletrônica do portãosocial, o sistema de acionamento do alarme e doportão da garagem e o emissor infravermelho paracontrolar o ar condicionado.

Figura 10. Plataforma experimental empregada nos testes

Resultados experimentais foram obtidos testandoas diversas condições de operação. Devido adificuldade de apresentar os resultados

experimentais, são apresentadas as telas do sistemade supervisão.

A tela do sistema de aceso é mostrada na Figura11. Nesta tela o usuário deve inserir o nome deusuário e a senha para ter acesso ao menu principal.Após realizar o login, com sucesso, o usuário sedepara com a tela do menu principal, ilustrada naFigura 12. Esta tela possui oito ícones que permitemao usuário navegar entre os subsistemas e gerenciar aresidência.

As demais telas do sistema de supervisão sãomostradas separadamente para cada conjunto dedispositivos controlados, como segue.

Figura 11. Tela de acesso do sistema de supervisão

Figura 12. Tela de menu principal do sistema de supervisão

4.1 Sistema de iluminaçãoO sistema de iluminação permite o gerenciamento

remoto da iluminação da residência através dosistema de supervisão. O sistema de iluminaçãoengloba três telas do SCADA. A primeira tela,ilustrada na Figura 13, permite o controle dailuminação, onde o usuário pode acionar quinzelâmpadas da sua residência, podendo ser ampliado.Destes circuitos, neste software foram definidas queoito lâmpadas tem a opção de serem dimerizadas, ouseja, o usuário pode definir uma luminosidade em20%, 40%, 60%, 80% ou 100%. A segunda tela, nãoapresentada neste trabalho, permite a criação decenários, onde o usuário pode configurar umconjunto de lâmpadas e sua luminosidade para seremacionadas. O usuário pode criar um cenário “Filme”,por exemplo, e cada vez que for assistir um filmeapenas acionar o cenário e ter a luminosidade deacordo com a sua preferência. A terceira tela,também não mostrada, permite a simulação depresença, onde o usuário define dias, horários e umgrupo de lâmpadas que devem ser acionadas nesseperíodo automaticamente. Assim caso o usuário nãoesteja em casa, esta simulação agrega segurança aresidência.

4.2 Sistema de aquecimento solarO sistema de aquecimento solar permite o

gerenciamento remoto do reservatório de água


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através do SCADA. O sistema de aquecimento solarpossui duas telas no sistema supervisório. Naprimeira tela, ilustrada na Figura 14, o usuário podeverificar o nível do reservatório, a temperatura daágua, a situação da resistência além de realizar oagendamento de quando a resistência deve ser ligada.

Figura 13. Tela do sistema de controle de iluminação

Figura 14. Tela do sistema de aquecimento solar

O agendamento da resistência possui uma telaadicional, não apresentada, onde o usuário pododefinir a temperatura da água, o horário em que aresistência deverá permanecer ligada e em quais diasda semana este acionamento deve ocorrer. Para evitardesperdício ou problemas de segurança, oacionamento da resistência não ocorre caso oreservatório esteja vazio.

4.3 Sistema de controle de acessoO sistema de controle de acesso é responsável

pelo gerenciamento remoto dos portões da residênciaatravés do sistema de supervisão. Este sistema possuiuma tela, ilustrada na Figura 15, onde é realizado ocontrole do portão social e do portão da garagem.

Nesta tela o usuário pode abrir ou fechar osportões e verificar se os mesmos se encontramabertos ou fechados. Além disso o usuário pode gerarum relatório informando a data, hora, e quemexecutou a ação de abrir algum dos portões. Comofator de segurança, caso o usuário abra algum dosportões e se esqueça de fechar, o portão éautomaticamente fechado após 1 (um) minuto.

Figura 15. Tela do sistema de controle de acesso

4.4 Sistemas de alarmeO sistema de alarme permite o monitoramento e o

gerenciamento remoto da central de alarme atravésdo sistema de supervisão. Este sistema possui umaúnica tela onde o usuário pode verificar o status doalarme, podendo ser: ativado, desativado, disparado.

Nesta tela o usuário também pode ativar oudesativar o alarme, além de gerar um relatório queinforma a data, o horário e quem ativou ou desativoua central de alarme.

4.5 Sistemas de ar condicionadoO sistema de ar condicionado permite o

gerenciamento remoto do ar condicionado daresidência, através do sistema de supervisão. Na telado sistema de ar condicionado, ilustrada na Figura16, o usuário pode desligar o ar condicionado ouacionar de acordo com algumas funçõespré-estabelecidas, tais como: função frio à 18ºC ou à22ºC, função quente à 20ºC ou à 25ºC, além de ligarsomente a ventilação. Nesta tela, o usuário tambémpossui a informação da temperatura atual do cômodo,assim podendo decidir antes de chegar em casa se jádeve acionar o ar condicionado. Além disso o usuáriopode fazer um agendamento para ligar e/ou desligaro ar condicionado, definindo dia, hora e a funçãodesejada.

Figura 16. Tela do sistema de ar condicionado

4.6 Sistema de câmeras de segurançaO sistema de câmeras permite monitorar

remotamente as câmeras de segurança da residênciaatravés do sistema de supervisão. Este sistema possuiuma tela principal onde o usuário escolhe qualcâmera deseja visualizar, e após é redirecionado paraoutra tela onde a imagem da câmera é mostrada.


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As câmeras utilizadas devem ser do tipo câmeraIP, devido a vantagem de já se conectaremdiretamente a rede e serem facilmente integradas aosistema de supervisão. Para o desenvolvimento desteprojeto não foram adquiridas câmeras, entãoutilizou-se uma câmera pública, disponibilizada naInternet, para ilustrar o funcionamento.

5 Conclusão

O objetivo deste trabalho foi desenvolver umsistema de automação residencial de baixo reduzido eque trouxesse comodidade, segurança e eficiênciaenergética aos usuários. O sistema desenvolvido écapaz de gerenciar as principais variáveis presentesem uma residência, além de permitir acesso remotovia web. O sistema também permite ao usuáriocontrolar a iluminação, criar cenários, controlar o arcondicionado, assim aumentando a comodidade dosmoradores. Além disso o usuário pode atuar no seusistema de aquecimento solar, definindo por exemploquando a resistência de compensação deaquecimento deve ser ligada, e qual a temperaturadesejada da água, evitando que a resistênciapermaneça ligada desnecessariamente e aumentandoos gastos com a energia.

Para o desenvolvimento do mesmo, empregou-sea utilização de diversas ferramentas de código aberto.Como os controladores Arduino, o servidorBeagleBone Black e os softwares que compõem oLAMP. Além disso, os controladores, o servidor e oscomponentes utilizados nos circuitos apresentambaixo custo.

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