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DOMÓTICA: AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL
Vitor Lins [email protected] Waldson Moura
UNIBRATEC Av.Marechal Mascarenhas de Morais, 4989, Imbiribeira, RecifePE | CEP 51150002
Resumo
Neste artigo abordaremos o poder da tecnologia que utiliza entre outros meios a robótica para
controle e automação residencial, como funciona e as suas principais utilizações. O termo
“Domótica” é a junção da palavra latina “Domus” (casa) com “Robótica”, vem sendo bastante
utilizada atualmente, sejam pelos aspectos de segurança, ou mesmo de conforto. A Domótica
pode ser focada em duas arquiteturas diferentes, “ABA Arquitetura Baseada em Automação”,
onde o usuário se adapta a automação implantada e a “ABC – Automação Baseada em
Comportamento” onde os sistemas de automação devem se adaptar e aprender com os usuários.
Faremos uma abordagem dessas duas arquiteturas de sistemas domóticos, mostrando suas
características e salientando principalmente o conceito de domótica inteligente. Mostraremos a
importância da “I.A. – Inteligência Artificial” no desenvolvimento da arquitetura ABC. Visando
extender o conceito de automação residencial, a domótica inteligente, busca inserir em sistemas
domóticos tomadas de decisão inteligentes, como por exemplo, gerenciamento de recursos
(energia, água, etc.) e controle e solução de falhas, tudo isso partindo da construção de árvores
de decisão baseadas no estudo do comportamento dos usuários do sistema.
Será feita também uma abordagem sobre alguns dos principais protocolos responsáveis pela
comunicação entre os sensores e atuadores nos sistemas domóticos, o X10, o EIB e o
LonWorks. Esses protocolos são os mais utilizados atualmente, seja pela sua divulgação, seja
pelas suas características técnicas ou pelo fato de terem sido objeto de normalização. Tais
protocolos competem entre si, disputando o mercado, porém não existe nenhum que se possa
considerar dominante.
Palavraschave: Automação predial, domótica, inteligência artificial, protocolo de comunicação.
Abstract
In this article we discuss the power of technology that uses robotics and other means to control
and home automation, how it works and its main uses. The term "Home Automation" is the
junction of the Latin word "Domus" (home) with "Robots" is being widely used today are the
security aspects, or even comfort. The Home automation can be focused on two different
architectures, "ABA Automation Based Architecture", where the user adapts to automation
and deployed "ABC Automation Based on Behavior" where automation systems must adapt
and learn from users.
We will approach these two architectures for home automation systems, showing its features
and emphasizing mainly the concept of smart home automation. Show the importance of "active
ingredients Artificial Intelligence on developments in architecture ABC. Aiming to extend the
concept of home automation, smart home automation, home automation systems seek to enter
into intelligent decision making, such as resource management (energy, water, etc..) And
control and troubleshooting failures, all based on the construction of decision trees based on the
behavior of system users.
Will also made an approach on some key protocols responsible for communication between
sensors and actuators in home automation systems, the X10, the EIB and LonWorks. These
protocols are the most widely used, either by disclosure either by their technical characteristics
or because they have been subject to standardization. Such protocols compete, competing, but
there is none that can be considered dominant.
Keywords: building automation, home automation, artificial intelligence, communication
protocol.
1. Introdução
Este artigo visa explanar todos os conceitos de domótica, como também de suas aplicações;
definem as arquiteturas utilizadas na domótica, ABA (Arquitetura Baseada em Automação),
conhecida como domótica estática e ABC (Automação Baseada em Comportamento), conhecida
como domótica inteligente, que faz uso de técnicas de I.A. (Inteligência Artificial) para se
adaptar ao comportamento humano; os protocolos utilizados para tornar possível a comunicação
entre sensores e atuadores, também serão definidos nesse artigo.
A automação de casas e prédios, conhecida como Domótica, é uma área bastante interessante e
vem crescendo cada vez mais. Diretamente ligada ao controle e automação de residências, seus
objetivos fundamentais são de oferecer conforto e segurança, tudo isso é conseguido aplicando
se mecanismos automáticos, e em alguns casos, utilizandose da I.A. (Inteligência Artificial).
Os sistemas domóticos proporcionam aos usuários um grande número de funcionalidades, por
exemplo, ligar e desligar luzes em horários programados, ajustar a temperatura ambiente, ligar
TV, som e home theater, baixar e subir persianas, entre muitas outras possibilidades. Outro fator
bastante importante e atraente na domótica é a gestão do consumo de energia elétrica, que visa
sempre à diminuição dos gastos excessivos.
O artigo se divide da seguinte forma: No item 2, serão discutidos os conceitos de domótica e sua
aplicabilidade; o item 3 explanará suas arquiteturas, e fará um comparativo entre elas; no item 4,
descreveremos os protocolos de comunicação X10, EIB e o LonWorks, como também suas
principais características, o item 5 consiste nas considerações finais a respeito do tema em
questão e o item 6 contém todas as referências utilizadas nesse artigo.
2. A Domótica e sua definição
Uma definição mais atual da domótica é a de que esta é a utilização simultânea da eletricidade,
da eletrônica e das tecnologias da informação no ambiente residencial, permitindo realizar a sua
gestão, local ou remota, e oferecer uma vasta gama de aplicações nas áreas da segurança,
conforto, comunicações e gestão de energia (Mariotoni; Andrade, 2007).
Um exemplo do que a domótica é capaz: Após um dia cansativo e estressante de trabalho, nossa
vontade é chegar em casa e apenas relaxar, porém ao chegar na nossa porta, percebemos que
deixamos as chaves dentro do carro, e que teremos que descer até a garagem para buscála. Isso
não é necessário se tivermos um sistema domótico em casa, apenas precisamos colocar o dedo
polegar no leitor biométrico instalado na fechadura de nossa porta, com esse simples
gesto, teremos a porta aberta. Ao detectar que entramos em casa o sistema aciona o ar
condicionado na temperatura comumente utilizada por nós, liga a TV no canal que sempre
assistimos nesse horário e acende as luzes. O sistema domótico armazena as operações mais
corriqueiras do usuário, com isso, ele já pode deduzir que iremos utilizar a banheira de
hidromassagem na temperatura desejada, assim, ele aciona seu enchimento. Após o banho, ao
apertarmos apenas uma tecla no controle remoto universal do sistema, o mesmo ativará o modo
home theater de nossa sala, fechando persianas, diminuindo a luminosidade e ligando nosso
equipamento de som. Esse pequeno exemplo não é coisa de filme futurista, já se pode obter isso
e muito mais com um sistema domótico implantado em sua residência, vimos no exemplo que o
proprietário ganhou em segurança, com o sistema de abertura de porta biométrico, ganhou em
conforto com as inúmeras facilidades obtidas e ganhou em economia com a gerência de energia
eficiente.
No início, era bastante caro e difícil implantar um sistema domótico, os equipamentos eram
bastante custosos e a mão de obra especializada era difícil. Porém a alguns anos o custo dos
equipamentos vem diminuindo, com isso é possível construir sensores e atuadores para
implementar uma arquitetura descentralizada. Com o uso de protocolos específicos, a domótica
tornouse mais fácil de utilizar e implantar, e ainda ganhou em flexibilidade e modularidade e
com a redução do custo do hardware, novos produtos são lançados aumentando as
possibilidades.
Com a popularização da internet, novos fabricantes têm surgido e lançado novos produtos e
serviços que unem o melhor da internet (baixo custo, difusão, apresentação WEB, GPRS ou
EDGE) com tecnologias de controle de dados accessíveis e padronizados para ajudar a
impulsionar a domótica.
3. Arquiteturas
A domótica está dividida em dois tipos de arquiteturas, ABA (Arquitetura Baseada em
Automação), conhecida como domótica estática e a ABC (Arquitetura Baseada em
Comportamento), essa segunda, conhecida também como domótica inteligente (Eng et al, 2002).
A domótica que utiliza a arquitetura ABA (Arquitetura Baseada em Automação), trata a
automação de residências a partir de dispositivos, como controles remotos, sensores de
movimento, dispositivos biométricos. Todos esses ajustados e configurados pelos seus usuários,
de modo que, os habitantes da residência não tenham que se adaptar ao sistema nem precisar
configurálo fazendo com que o mesmo funcione de acordo com as necessidades dos usuários.
A domótica baseada na arquitetura ABC (Arquitetura Baseada em Comportamento), chamada
de “Domótica Inteligente” (entendese por domótica inteligente o processo de automação que
incorpore algum mecanismo automático de tomada de decisão baseada em técnicas de
Inteligência Artificial (Michell, 1997)) utiliza algoritmos como o ID3, o qual veremos mais
detalhes nesse tópico.
Um dos trabalhos de pesquisa que foca em domótica inteligente é o do MIT Artificial
Intelligence Lab (http://www.csail.mit.edu/), que integra teoria e aplicação (Brooks, 1997). Tal
trabalho é restrito a uma sala de reuniões onde o sistema de domótica inteligente ajuda as
pessoas atingirem seus objetivos, utilizando para isto reconhecimento de fala e percepção visual
(visão computacional).
Já o sistema Ada (Eng et al, 2002) foca em um outro paradigma de domótica inteligente. O sistema trata o ambiente como um organismo artificial que possui estados emocionais. O
objetivo do sistema Ada é modificar dinamicamente o ambiente de modo a melhorar sua
funcionalidade e qualidade. Essa modificação é feita por diálogos com os visitantes.
3.1 O algoritmo ID3
O algoritmo ID3 (Michell, 1997) é uma técnica de aprendizado que consiste na indução de uma descrição geral a partir de um conjunto de exemplos, chamado de conjunto de treinamento.
Sendo um dos algoritmos mais simples que generalizam regras no formato de uma árvore de
decisão, no ID3 cada regra é um conjunto de instâncias, que possui certos atributos discretos.
Um exemplo dessas instâncias pode ser “persiana” onde seus atributos seriam “aberta”,
“fechada”, “subir”, “descer”. O “tempo” também pode ser outro exemplo de instância, onde
seus atributos seriam “manhã”, “tarde” e “noite”.
O ID3, utiliza para criar a árvore de decisão uma fórmula que calcula a entropia de um conjunto
de treinamento considerado (entendese por “entropia” a grandeza termodinâmica que mede a
parte de energia que não pode ser transformada em trabalho). A entropia mede a quantidade de
informação contida em um atributo. Quanto menor for a entropia de um atributo, menor será o
seu grau de incerteza. Portanto, o atributo de menor entropia é o que possui maior quantidade de
informação, sendo escolhido para ser a raiz de uma Árvore de Decisão.
Com esse cálculo, é possível determinar o quanto há de exemplos para cada atributo de resposta.
O ID3 classifica cada atributo de cada instância relacionando com cada atributo da resposta. O
sistema deve escolher um atributo como raiz da árvore de decisão que possa separar, da melhor
maneira possível, o conjunto de treinamento inicial em outros conjuntos de treinamento
menores, porém mais homogêneos.
O melhor ganho de uma instância significa que a mesma pode dividir o conjunto de treinamento
em subconjuntos mais homogêneos do que outras instâncias que possuem valor de ganho
menor. Com isso o ID3 consegue decidir quais serão os nós e a raiz da árvore de decisão.
3.2 Sistema ABC
O ID3 aplicado ao sistema de automação implica nas seguintes definições:
Conjunto de Treinamento: Cada conjunto de treinamento no sistema ID3 representará um
atuador do sistema de automação.
Resposta: Cada atributo de resposta de um conjunto de treinamento no sistema ID3 será um
estado do atuador cujo conjunto de treinamento representa.
Instâncias e atr ibutos: Cada sensor de um sistema de automação é uma instância cujos
atributos formam o status deste sensor.
O sistema ABC, consiste em Atuadores, Sensores e um Banco de regras criado pelo ID3,
conforme Figura 1.
Figura 1: O sistema ABC.
Na figura acima, os sensores1 formam o grupo de sensores que agem diretamente com os
atuadores e que podem sofrer interferência humana em seu status.
Ex.: interruptor luz e interruptor Arcondicionado.
Já os sensores do grupo sensores2 agem sem a interferência humana.
Ex.: Luminosidade e Temperatura externa.
4. Protocolos de Comunicação
Os protocolos de comunicação são a linguagem que permite que os diversos elementos de um
sistema domótico (sensores e atuadores) se comuniquem e que se entendam. Como exemplos de
protocolos de comunicação temos o X10 (o mais antigo e usado no mundo inteiro), o EIB e o
LonWorks. Todos estes protocolos de comunicação tornaramse verdadeiros padrões,
normalmente são geridos por uma instituição ou associação, como é o caso da EIBA (European
Installation Bus Association) que responde em tudo o que diz respeito ao protocolo EIB ou pela Associação de Fabricantes Lonmark que realiza o mesmo em relação ao protocolo Lonworks
(António Roque, www.acasainteligente.com).
4.1 O protocolo X10
O X10 é o protocolo mais antigo usado nas aplicações domóticas. Foi desenvolvido entre 1976
e 1978 com o objetivo de transmitir dados por linhas de baixa tensão (110V nos EUA e 230V na
Europa) a muito baixa velocidade (60 bps no EUA e 50 bps na Europa) e com custos muito
baixos. Ao usar as linhas elétricas da residência, não se torna necessário ter novos cabos para
ligar os dispositivos.
O protocolo X10, teve sua patente expirada, ou seja, qualquer fabricante pode produzir
dispositivos X10 e oferecêlos ao público sem pagamento de taxas relativas a patentes. Assim
sendo, e ao contrário do que sucede com a firma Echelon Corporation e o seu Neuron Chip que
implementa o Lonworks e que tem uma filosofia muito aproximada, os circuitos integrados que
implementam o X10 não tem royalties (http://albt.tripod.com/x10.htm).
Graças ao seu amadurecimento (mais de 20 anos no mercado) e à tecnologia implementada, os
produtos X10 têm um preço muito competitivo sendo líder no mercado residencial Norte
Americano com as instalações a serem realizadas por eletricistas sem conhecimentos de
automação ou informática ou até pelos próprios utilizadores.
4.2 O Protocolo EIB (European Installation Bus)
O EIB é um protocolo de comunicação desenvolvido por um conjunto de empresas líderes no
Mercado Europeu de material elétrico com o objetivo declarado de criar um sistema que
constitua uma barreira às importações de produtos e sistemas semelhantes que estavam e estão
sendo produzidos nos mercados Japonês e dos Estados Unidos onde estas tecnologias possuem
um grau de maturidade superior ao produzido na Europa.
O objetivo era criar um padrão Europeu que permita a comunicação entre todos os dispositivos
de uma instalação, esteja ela numa casa ou num edifício de escritórios.
O EIB possui uma arquitetura descentralizada. Ele define uma relação elemento – a – elemento
entre os dispositivos, o que permite distribuir a inteligência entre os sensores e atuadores
instalados.
O EIB transmite dados através de cabo telefônico, redes Ethernet, sinal de radiofreqüência e
por infravermelho.
4.3 O Protocolo LonWorks
A Echelon Corporation apresentou a tecnologia LonWorks no ano 1992 e desde então múltiplas
empresas têm vindo a usar para implementar redes de controle distribuídas e automatizadas.
Apesar de estar desenhada para cobrir todos os requisitos da maioria das aplicações de controle,
só tem tido êxito a sua implementação em edifícios administrativos, hotéis e indústrias. Devido
ao seu custo, os dispositivos LonWorks não têm tido grande implementação nas casas,
sobretudo porque existem outras tecnologias com funcionalidades iguais e muito mais baratas.
O êxito que o LonWorks tem tido em aplicações profissionais nas quais importa muito mais a
confiabilidade e a robustez que o preço em si, devese a que desde a origem oferecem uma
solução com arquitetura descentralizada, extremoaextremo, que permite distribuir a
inteligência entre os sensores e os atuadores instalados e que cobre desde o nível físico até ao
nível de aplicação a maioria dos projetos de redes de controle.
Segundo a Echelon, o LonWorks é um sistema aberto a qualquer fabricante que queira usar esta
tecnologia sem depender de sistemas proprietários, o que permite reduzir os custos e aumentar a
flexibilidade da aplicação de controle distribuída.
5. Considerações finais
Este artigo visou apresentar o modelo de um sistema de automação predial e residencial,
conhecido como domótica, que adapta e remodela suas regras conforme o comportamento do
habitante (usuário) do sistema ou por meio da interação do próprio usuário. Apresentamos
também as arquiteturas existentes e como elas funcionam, e como implementam o conceito de
domótica inteligente aplicando técnicas de inteligência artificial através do algoritmo ID3. Os
protocolos responsáveis por tornar possível a comunicação entre atuadores e sensores foram
mostrados de forma clara e objetiva neste artigo.
6. Referências
• Marcelo Takiuchi, Érica Melo E Flavio Tonidandel. Domótica Inteligente: Automação Baseada Em Comportamento Disponível em: < http://www.fei.edu.br/~flaviot/pub_arquivos/cba2004_Final.pdf >. Acesso em: 14 nov. 2009.
• Batista, G.E. Um ambiente de Avaliação de Algoritmos de Aprendizado de Máquina utilizando exemplos. Dissertação (mestrado), Universidade de São Paulo, São Carlos. (1997)
• Ferreira, Carlos José G.. Automação Residencial Com Domótica. Disponível em:
< http://www.artigonal.com/destinosdeviagemartigos/automacaoresidencial domotica369823.html>. Acesso em: 06 nov.2009.