FACULDADES NORDESTE – FANOR DEVRY
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DOMINGOS ANDRÉ NOGUEIRA CHAGAS
DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE DOMÓTICA UTILIZANDO A
PLATAFORMA ARDUINO
FORTALEZA
2017
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Automação Residencial com Arduino: Desenvolvimento de um Sistema Domótico, Redação de Automação
Este trabalho desenvolveu um sistema domótico baseado na plataforma de prototipagem eletrônica arduino. Uma visão geral da automação residencial (ar), seus sistemas e níveis de interação, além de detalhar o desenvolvimento do protótipo utilizando o arduino uno. São abordados tópicos como a evolução histórica dos componentes, protocolos de comunicação, tipos de sistemas, avanços da microeletrônica e da computação, e a internet das coisas (iot). O projeto priorizou o uso de equipamentos de baixo custo para a confecção do protótipo, explorando os recursos do microcontrolador atmega328 presente no arduino uno. A metodologia empregada, o hardware utilizado, a programação em c++ e a interface do aplicativo desenvolvido. Essa pesquisa contribui para o entendimento da automação residencial e seu potencial de aplicação utilizando a plataforma arduino.
Tipologia: Redação
2017
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FACULDADES NORDESTE – FANOR DEVRY
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DOMINGOS ANDRÉ NOGUEIRA CHAGAS
DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE DOMÓTICA UTILIZANDO A
PLATAFORMA ARDUINO
FORTALEZA
DOMINGOS ANDRÉ NOGUEIRA CHAGAS
DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE DOMÓTICA UTILIZANDO A
PLATAFORMA ARDUINO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, das Faculdades Nordestes como requisito para obtenção do título Bacharelado. Orientador: Prof. Ms. Dalton de Araújo Honório.
FORTALEZA
DOMINGOS ANDRÉ NOGUEIRA CHAGAS
DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE DOMÓTICA UTILIZANDO A
PLATAFORMA ARDUINO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, das Faculdades Nordestes como requisito para obtenção do título Bacharelado, tendo sido aprovado pela banca examinadora composta pelos professores abaixo. Aprovado dia: ____/____/________.
BANCA EXAMINADORA
______________________________________________________
Prof. Ms. Dalton de Araújo Honório Orientador – Fanor Devry
______________________________________________________
Prof. Dr. Wellington Assunção da Silva Examinador – Fanor Devry
______________________________________________________
Prof. Ms. Rebeca Catunda Pereira Machado Examinador – Fanor Devry
DEDICATÓRIA
Dedico esse trabalho aos dois grandes guerreiros da minha vida: ao meu pai Andrade (in memorian) que sempre me apoiou e trazia sabedoria em suas palavras, e a minha mãe Creuza que me contagia com sua infinita energia e determinação.
RESUMO
Automação Residencial ou Domótica têm sido impulsionada com os crescentes avanços tecnológicos. É um ramo emergente no cenário mundial, pois proporciona conforto, segurança, praticidade e outros benefícios. Adquire destaque no que diz respeito ao desenvolvimento sustentável, como forma de se economizar energia elétrica e de usar água racionalmente. Inserido neste contexto o presente trabalho desenvolveu um sistema domótico baseado na plataforma de prototipagem eletrônica Arduino. A plataforma é uma ferramenta relativamente barata, com boa aplicabilidade, facilidade de programação e manipulação. Para a realização do projeto proposto foi realizado um estudo sobre os componentes, protocolos de comunicação e tecnologias disponíveis no mercado. Com este estudo, adotou-se duas tecnologias wireless : o bluetooth e o infravermelho. Em seguida foi iniciado o processo de desenvolvimento e montagem do protótipo, tanto do hardware como firmware. Com o uso da ferramenta App Inventor também foi criado um aplicativo, específico para o projeto, para dispositivos Android, com uma interface simples e intuitiva. O protótipo foi instalado na residência do próprio autor e os testes realizados demonstraram estabilidade no sistema.
Palavras-chaves: Domótica. Arduino. Protótipo.
ABSTRACT
Home Automation or Domotic has been boosted with the growing technological advancements. In fact, it is an emerging branch on the world stage because it provides comfort, safety, practicality and other benefits. It acquires prominence with regard to sustainable development, as a way to save electricity and to use water rationally. In this context, the present work has developed a home automation system based on the Arduino electronic prototyping platform. The platform is a relatively inexpensive tool with good applicability, easy programming and manipulation. In order to carry out the proposed project, a study was carried out on the components, communication protocols and technologies available in the market. With this study, two wireless technologies were adopted: bluetooth and infrared. Then the process of developing and assembling the prototype, both hardware and firmware, was started. Using the App Inventor tool, a project-specific application for Android devices was created with a simple and intuitive interface. The prototype was installed in the author's own residence and the tests performed showed reliability in the system.
Keywords: Domotics. Arduino. Prototype.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. AR Automação Residencial AURESIDE Associação Brasileira de Automação Residencial e Predial CFTV Circuito Fechado de Televisão CLP Circuito Lógico Programável DIY Faça você mesmo EHS European Home System EIB European Installation Bus EUA Estados Unidos da América HBS Home Bus System HVAC Heating, Ventilation & Air Conditioning – Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado IDE Integrated Development Environment – Ambiente de Desenvolvimento Integrado IHM Interface Homem-Máquina IoT Internet of Things ISM Industrial, Scientific & Medical – Industrial, Científica e Médica MIT M assachusetts Intitute of Technology MME Ministério de Minas e Energia NO Normally Open – normalmente aberto. PC Personal Computer – Computadores Pessoais PCI Placa de Circuito Impresso PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica PWM Pulse Width Modulation – Modulação por Largura de Pulso TMR Transparency Market Research
- Figura 1 - Algumas variáveis controladas na Domótica.
- Figura 2 - Espectro visível da luz.
- Figura 3 - Primeiros Arduinos.
- Figura 4 - Alguns exemplos de Arduino.
- Figura 5 - Tela inicial do IDE do Arduino.
- Figura 6 – Versões do Arduino UNO: R1 a esquerda, R2 no centro e R3 a direita.
- Figura 7 - Shields montadas formando uma torre de plataforma.
- Figura 8 - Módulo bluetooth HC-05.
- Figura 9 - Esquema de Ligação entre o HC-05 e o Arduino UNO.
- Figura 10 - Receptor VS1838B a esquerda; PCI com o receptor a direita.
- Figura 11 - Especificação do VS1838B.
- Figura 12 - Modelos encontrados no mercado. Módulos de 1, 2, 4 e 8 canais.
- direita. Figura 13 - Portas padrão a esquerda do módulo. Portas extras Gnd, Vcc e JD-Vcc a
- Figura 14 - Circuito elétrico de módulos relé com mais de um canal.
- Figura 15 - Módulo de Fonte Ajustável para Protoboard.
- Proteus ISIS; (D) Tela inicial do Proteus ARES. Figura 16 - (A) Tela inicial do Fritzing; (B) Exemplo de protoboard; (C) Tela inicial do
- Figura 17 - Circuito elétrico divisor de tensão aplicado na porta A0..........................
- Figura 18 - Código responsável pelas interrupções manuais.
- Figura 19 - Código responsável pelo tratamento da leitura das interrupções.
- Figura 20 - (A) Desenho no Fritzing. (B) Circuito montado na protoboard.
- Figura 21 - Controle remoto adotado para o projeto.
- remoto. Figura 22 - Programa 'IRrecvDemo' usado para registrar os códigos do controle
- protoboard. Figura 23 - (A) infravermelho desenhado no Fritzing. (B) VS1838B montado na
- Figura 24 - Código responsável pelo controle remoto.
- Figura 25 - Módulo HC-05 montado na protobard para as configurações.
- Figura 26 - Código responsável pelo bluetooth.
- Figura 27 - (I) Bluetooth ssp pro. (II) Term for BT.
- Figura 28 - Módulo principal: 3D e trilhas, gerado pelo ARES.
- Figura 29 - Módulo bluered: 3D e trilhas, gerado pelo ARES.
- Figura 30 - PCI principal para a alimentação do sistema.
- Figura 31 - PCI bluered com os dispositivos wireless.
- Figura 32 - Tela da aba App Inventor Designer.........................................................
- Figura 33 - Tela da aba App Inventor Blocks Editor.
- Figura 34 - (a) Tela inicial, antes da conexão; (b) Quando está conectado com o HC-
- Figura 35 - Circuito elétrico padrão para iluminação e tomadas.
- Figura 36 - Esquema de ligação para o circuito de força do projeto.
- Figura 37 - Esquema de ligação para o circuito de comando do projeto.
- (d) visão externa do quadro elétrico. Figura 38 - (a) placa principal fixada. (b) modulo relé acoplado. (c) Arduino encaixado.
- Tabela 1 - Comparativo de microprocessadores entre alguns tipos de Arduino. LISTA DE TABELAS
- Tabela 2 - Códigos decimais gerados pelo controle remoto.
- Tabela 3 - Comandos AT do módulo HC-05.
- Tabela 4 - Consumo dos componentes do projeto.
- 1 INTRODUÇÃO
- 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
- 2.1 AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL
- 2.1.1 Histórico da automação residencial
- 2.1.2 Automação Residencial atualmente
- 2.1.3 Internet das coisas – a tendência da automação.
- 2.2 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
- 2.2.1 Bluetooth
- 2.2.2 Infravermelho
- 3 PLATAFORMA ARDUINO.....................................................................................
- 3.1 ARDUINO
- 3.1.1 Hardware livre
- 3.1.2 Software Livre
- 3.2 ARDUINO UNO................................................................................................
- 3.2.1 Características da placa
- 3.3 MÓDULOS E SHIELDS
- 3.3.1 Shields
- 3.3.2 Módulos
- 3.3.2.1 Modulo bluetooth HC-05
- 3.3.2.2 Módulo fotorreceptor infravermelho VS1838B
- 3.3.2.3 Módulo relé 5V de oito canais.
- 3.3.2.4 Módulo de Fonte ajustável para Protoboard.
- 4 METODOLOGIA APLICADA
- 4.1 PARTE UM: CONSTRUÇÃO DA PLACA.
- 4.1.1 Ferramentas utilizadas
- 4.1.2 Inclusão dos interruptores.
- 4.1.3 Inclusão da função infravermelho
- 4.1.4 Inclusão do bluetooth
- 4.1.5 Confecção da PCI
- 4.2 PARTE DOIS: DESENVOLVIMENTO DA IHM.
- 4.3 PARTE TRÊS: APLICAÇÃO DO PROTÓTIPO NA RESIDÊNCIA.
- 4.4 ANÁLISE DE RESULTADOS
- CONSIDERAÇÕES FINAIS
- 5.1 FUTURAS IMPLEMENTAÇÕES
- REFERÊNCIAS
- APÊNDICES
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1 INTRODUÇÃO
O conceito de Domótica ou Automação Residencial refere-se a toda tecnologia desenvolvida, estudada e destinada a automatizar uma residência, torná-la “inteligente” (autônoma). Para Bolzani (2004a) o termo “inteligente” diferencia um sistema simples de um sistema evoluído, com capacidade de coordenar outros equipamentos e de se autocoordenar. Os primeiros sistemas autônomos surgiram no setor industrial, enfatizando as linhas de produção. Posteriormente o setor comercial adotou as tecnologias disponíveis e investiu em áreas patrimoniais. A automação foi ganhando espaço e logo, outros setores surgiram: Automação Predial e Automação Residencial. (WORTMEYER; FREITAS; CARDOSO, 2005) Segundo Prudente (2013), o mercado da automação predial e residencial nos Estados Unidos da América (EUA) move bilhões de dólares, enquanto que, na Europa, estima-se milhões de euros sendo movidos por esta área. “Em um estudo mais recente feito pela Transparency Market Research (TMR), a domótica terá um crescimento mundial de 26,30% ao ano, até 2020”. (AURESIDE, 2015, p.31) Toda essa expansão mercadológica da domótica é consequência do progresso da eletrônica e microeletrônica. O mercado apresenta muitos protocolos de comunicação com tecnologias diferentes, permitindo realizar instalações de pequeno a grande porte. A quantidade de produtos e sistemas que se tem atualmente é bem mais diversa em relação a que se tinha anteriormente. Mas essa aparente facilidade leva, como enfatiza Bolzani (2004a), à falta de padronização nas instalações e também a carência de profissionais especializados no mercado, o que causa confusão para o usuário no momento de adquirir um equipamento para sua residência. Ponderando-se as vantagens oferecidas por um sistema residencial autônomo (conforto, economia, entretenimento, segurança, status) e pela quantidade massiva de material disponível na internet: artigos científicos, tutoriais e diversos trabalhos acadêmicos. O presente trabalho visa desenvolver uma nova alternativa de produto para o mercado da automação residencial utilizando componentes eletrônicos baratos e fáceis de encontrar no mercado, capaz de acionar as cargas de qualquer residência, sejam luminárias e aparelhos eletrodomésticos, com a premissa de gerar conforto, ser prático e oferecer economia energética. O produto utilizará o Arduino UNO, uma
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no projeto. O terceiro capítulo trata sobre os componentes e ferramentas usadas no trabalho, o Arduino e os módulos. No penúltimo capítulo é descrita a metodologia empregada no desenvolvimento do protótipo, o hardware é detalhado desde a montagem do circuito em protoboard até a PCI, assim como o avanço da linguagem de programação C++ utilizada no Arduino na parte do software e, sobre a interface utilizada no aplicativo. E, por fim, no capítulo cinco, são feitas as considerações finais e sugestões para trabalhos futuros.
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2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Este capítulo expõe os conceitos teóricos necessários para um melhor entendimento da automação residencial, apresenta um breve histórico de sua origem, a importância para o mercado atualmente, exemplifica sistemas avançados e disserta os protocolos de comunicação utilizados no protótipo proposto.
2.1 AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL
Analisando o termo Automação Residencial (AR), a palavra automação é sinônima de automatização, que por sua vez, de acordo com o dicionário: “Funcionamento de máquina ou grupo de máquinas que, sob o controle de um programa só, sem intervenção humana, permite efetuar uma série de operações industriais.” (ROCHA, 1996) Outros termos utilizados na literatura para AR são: Casas Inteligentes, Domótica e Smart Home. Empresas e fabricantes de dispositivos domóticos utilizam o termo Casas Inteligentes para promover a venda de seus produtos, afinal um sistema que controla as janelas de uma casa, abrindo-as ou fechando-as mediante a chuvas ou para arejar os cômodos automaticamente, é visto como tecnologias superiores em relação aos métodos convencionais. Porém o nome inteligente traz algo a mais num sistema de AR. Este conceito é melhor explicado na seção 2.1.3 deste trabalho. A palavra Domótica é uma palavra amálgama, ou seja, formada irregularmente por duas palavras, domus (do latim, casa) e robótica. É comumente pronunciada no continente Europeu. E Smart Home é usual nos EUA, definindo imóveis de alto padrão conectadas à internet. Convergindo estes conceitos apresentados, literalmente é possível dizer que AR são sistemas automatizados que controlam, de forma manual ou remota, o funcionamento das cargas de uma residência. Todavia Sena (2005) enfatiza que a domótica vai além disso, ela aumenta a qualidade de vida dos moradores e é importante para o meio ambiente, pois usa de maneira eficaz os recursos naturais.
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A interface de um sistema AR deve ser simples e amigável, pois objetiva o conforto do usuário. E a automação industrial, por trazer muitas variáveis de controle, é complexa e requer treinamentos especiais para seus funcionários; Com relação ao monitoramento de sistemas: na automação industrial é fundamental, levando em conta as auditorias e relatórios de controle que uma indústria deve ter. O que não é preciso numa casa. Por volta dos anos 70, nos EUA, surgiram os primeiros módulos inteligentes com protocolos de comunicação X-10. Este protocolo usa a própria rede elétrica da residência como um canal de comunicação entre os aparelhos elétricos. Posteriormente, o avanço tecnológico da microeletrônica e a disseminação dos Computadores Pessoais (PC – Personal Computer ), dos telefones celulares e da internet contribuíram para o nascimento de sistemas domóticos. A integração desses sistemas se fortaleceu após os anos 90, uma característica que diferenciava um edifício tradicional de um inteligente. (ALVES; MOTA, 2003)
2.1.2 Automação Residencial atualmente
A domótica já é uma realidade e está presente no mundo todo, em cada parte do globo é possível encontrar soluções comerciais distintas. Prudente (2013) menciona três componentes básicos presentes numa instalação domótica: os sensores que escutam uma situação pré-definida; o meio de transmissão que transmite informações a outro componente; e os atuadores responsáveis por efetuar uma operação após receber a informação. Cada um desses componentes tem sua inteligência própria, sendo necessário haver uma comunicação entre eles, ou seja, que se tenha um protocolo de comunicação. O protocolo americano X-10 não foi o único a ser desenvolvido. Outros exemplos americanos são CEBus e LonWorks. Na Europa, surgiram o European Installation Bus (EIB), European Home System (EHS), BatiBus, Konnex e MY HOME. Há também o Home Bus System (HBS), um protocolo japonês. Além destes apresentados, existe os protocolos bluetooth , jINI, EDS, Ethernet , ZigBee e outros. (PRUDENTE, 2013) Cada protocolo mencionado tem suas vantagens e desvantagens, o que inclui a velocidade e alcance de transmissão, capacidade de conexões de equipamentos e
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meios de transmissão do sinal. Que por sua vez, está última característica também se destaca pela variedade: Power Line , Infravermelho, linha Bus, radiofrequência, fibra óptica. Automatizar uma casa depende muito das preferências do cliente. Enquanto um cliente pode querer priorizar a segurança de sua casa instalando sensores de presença e câmeras para o Circuito Fechado de Televisão (CFTV). Outro poderia apenas focar na economia energética ou conforto, e essa diversidade de gostos é o maior desafio da AR. “Rotinas diárias podem ser as mesmas nas residências populares, o que difere é como o cidadão as executa”. (AUTOMAÇÃO, 2007) Portanto, o valor de investimento para implantar um sistema AR pode chegar a 25% do valor do imóvel de acordo com Bolzani (2007). O custo depende dos produtos tecnológicos adquiridos, da quantidade de sistemas que se deseja automatizar e do nível de interação entre esses sistemas. Bolzani (2004b) divide a AR em 13 sistemas: Sistema de fluidos e detritos; sistema de energia elétrica; sistema de ventilação, aquecimento e ar condicionado; sistema de redes de computadores; sistema de controle de iluminação; sistema de detecção e combate de incêndios; sistema de segurança patrimonial; sistema de controle e automação de acessos; sistema de detecção e controle mecânico; sistema de telefonia; sistema de áudio e vídeo; sistema de monitoramento e visualização; e sistema de auditoria e otimização de processos. Galdino (2010) e a Santesso (2017a), esclarecem os três níveis de interação existentes: Sistema autônomo: dispositivos que podem ser ligados ou desligados conforme a programação, agindo de forma isolada, sem reconhecer os outros sistemas; Integração de sistemas: existe um controlador central que coordena os outros dispositivos, mas o sistema só executa a lógica pré-programada na central e nos dispositivos; Residência inteligente: o sistema atende especificamente os gostos e as necessidades do(s) usuário(s), ele é capaz de aprender. Deixando de ser um controlador e passa a ser um gerenciador. A figura 1 ilustra algumas variáveis que podem ser controladas e monitoradas em uma residência.