Uma Alternativa Simplificada de Dispositivos Eletrônicos

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Uma Alternativa Simplificada de Dispositivos Eletrônicos
Utilizados em Automação Residencial
Ricardo Lins Mota
Bacharel em Engenharia da Computação pela
Faculdade Independente do Nordeste
(FAINOR)
Vitória da Conquista, BA, Brasil
MSc. Wilton Lacerda Silva
Coordenador e professor do Curso de
Engenharia da Computação da Faculdade
Independente do Nordeste (FAINOR),
Professor do CEFET.
Vitória da Conquista, BA, Brasil
[email protected]
[email protected]
RESUMO
Neste trabalho é destacado o conceito de automação residencial, mostrando as dificuldades que os usuários da
classe media-baixa enfrentam no Brasil, quando desejam automatizar alguns aspectos de sua residência.
Baseando-se em pesquisas, foi possível detectar algumas preferências mais imediatas deste tipo de usuário
quanto à idéia de automatizar suas residências. Dentre os recursos mais votados em uma dessas pesquisas,
foram escolhidos um controlador de temperatura e um dimmer sem fio para serem desenvolvidos neste
trabalho sob proposta de redução de custo final destes dispositivos. Os mesmos mostraram capacidade de
atender aos requisitos mais fundamentais a que foram propostos.
1
INTRODUÇÃO
Durante a década de 80, as tecnologias de automação
utilizadas nas indústrias foram migrando para as
residências, e assim, começou a surgir o que hoje
chamamos de Domótica. Segundo o dicionário Larousse, o
termo Domótica é “o conceito de casa que integra todos os
automatismos em matéria de segurança, gestão de energia,
conforto, comunicações, etc.”. Para Meyer [1], é o uso de
equipamentos especializados que podem controlar
lâmpadas, eletrodomésticos, aquecedores, ar condicionado,
e talvez perceber em que local da casa as pessoas estão.
Com o crescente avanço das tecnologias eletrônicas e do
processamento da informação, os dispositivos usados na
automação de residências passaram a possuir maior
capacidade de controle, processamento, armazenamento e
posteriormente, a capacidade de tomada de decisões. Sendo
assim, qualquer equipamento que tenha autonomia para
desenvolver uma tarefa básica, trocar informações com
outros dispositivos, possibilitar comando remoto e ser
capaz de tomar decisões, pode ser considerado um
dispositivo inteligente [2].
Para Teruel e Novelli [3], “soluções de automação
residencial utilizam equipamentos microcontrolados que
interagem entre si através de meios de comunicação
homogêneos ou heterogêneos, trocando informações e
tomando decisões orientadas ao usuário para assegurar seu
conforto, segurança e bem estar”.
Existem duas classes de dispositivos, os que apresentam
inteligência própria e aqueles que requerem subsistemas
complementares de controle.
Os dispositivos com inteligência própria são capazes de
realizar todas as operações básicas de comando remoto,
interligação em rede, autonomia e tomada de decisão. Caso
o dispositivo não apresente inteligência própria ele pode se
utilizar da integração com outros subsistemas para
desenvolver essas mesmas operações.
A arquitetura destes dispositivos é normalmente
constituída por um núcleo básico responsável pelas suas
funções fundamentais. Qualquer outro recurso secundário
não pertence ao conjunto de funções de responsabilidade
do núcleo. A (Figura 1), a seguir, mostra um modelo
simplificado da arquitetura de um dispositivo inteligente
com inteligência embutida, geralmente microcontroladas.
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Figura 1
Modelo de dispositivo inteligente com inteligência
embutida.
A maioria das funções de controle, entrada e saída são
feitas obedecendo a uma lista de códigos contendo
instruções e parâmetros que possibilitam a outros
dispositivos entenderem o que determinado dispositivo
deseja realizar. O software de controle é, portanto, este
conjunto de instruções que define seu funcionamento
básico. Todos os outros recursos são de responsabilidade
do software de aplicação [2].
Para a implantação de um Sistema Domótico, é
necessário um projeto prévio e desenvolvido por um
profissional “Integrador”. Este tem conhecimento das
tecnologias disponíveis e da forma de interação entre elas,
bem como toda a estrutura física dos meios de
comunicações entre os dispositivos e muitas vezes, a
utilização da Domotica está atrelada a serviços que
dependem sempre de uma provedora. Segundo Teruel e
Novelli.[3] a maioria das empresas em São Paulo não
atendem diretamente ao consumidor final, mas apenas
profissionais certificados ou empresas revendedoras.
Assim o custo final da Domótica fica elevado para o
padrão econômico do país fazendo com que a procura pela
mesma seja bastante pequena. Segundo a empresa
especializada em automação residencial “Home Gateway”,
“O mercado de automação residencial é voltado para as
classes mais altas da sociedade, mas futuramente haverá
uma crescente popularização do serviço. O surgimento de
novas tecnologias e produtos, a redução dos custos e as
vantagens que o sistema oferece, atraem um número cada
vez maior de consumidores”.
A proposta de desenvolver dispositivos domóticos de
baixo custo vem a tornar possível alguns automatismos
dentro de uma residência, até mesmo de forma inteligente,
para usuários com o nível econômico médio-baixo sem que
seja necessária a intervenção de um profissional integrador
e nem o uso dependente de um provedor de serviços
domóticos.
Apenas utilizando componentes eletrônicos facilmente
encontrados na maioria das casas especializadas e
reduzindo algumas funções especificas que podem ser
desnecessárias ao objetivo final a que certo dispositivo se
propõe basicamente, é possível constituir dispositivos
bastante eficazes para atender às necessidades mais
imediatas em um sistema domótico. Um exemplo prático
deste processo pode ser representado quando se deseja
controlar a temperatura ambiente no interior de uma
residência, neste caso não é necessário um dispositivo que,
ao mesmo tempo, apresente a temperatura, umidade
relativa do ar, altitude e pressão atmosférica. Apenas um
termômetro pode contribuir acionando um atuador que fará
com que a temperatura mude de intensidade até o nível
desejado pelo usuário. Pode-se ainda aproveitar este
termômetro para auxiliar na detecção de incêndio caso um
aumento brusco da temperatura ambiente seja notado.
Em uma pesquisa realizada por Teruel e Novelli [4],
verificou-se que entre os possíveis equipamentos que são
utilizados em automação residencial, a utilização do ar
condicionado está entre os quatro dispositivos mais
solicitados entre aqueles que desejam ter alguma
automação em suas residências. Também, na mesma
pesquisa, foi constatado que o meio mais solicitado para o
controle com acesso remoto destes dispositivos foi de
tecnologias que possam usar a Internet como o meio.
Dentre os modos de acionamento dos equipamentos, o
controle de carga de potência através de chaveamentos
como ligar/desligar ou travar/destravar foram consideradas
mais importantes. Já para os dispositivos considerados
essenciais destacam-se: lâmpadas, TV, Som, portas e
janelas. Nas câmeras de vigilância, a varredura do
ambiente foi considerada a função mais importante (38%),
no ar condicionado o controle da temperatura (52%) e no
DVD, play/stop/pausa (36%).
Figura 2
2
Escolha dos equipamentos prioritários para
automatização.
Fonte: Teruel e Novelli [4].
MATERIAIS E MÉTODOS
Partindo do principio de eliminar alguns recursos
desnecessários e utilizar componentes eletrônicos
facilmente acessíveis e também baseando-se no gráfico da
(Figura 2), foi proposto o projeto e desenvolvimento de um
dispositivo controlador de temperatura ambiente e um
dimmer wireless.
O controlador informa a temperatura em Graus Celsius e
monitora o equilíbrio térmico do ambiente onde o mesmo
se encontra, acionando um aquecedor no inverno ou
condicionador de ar no verão. Este controlador também
possui interface com o usuário onde é exibida a
temperatura em um display de sete segmentos, além disso,
dois botões permitem que o controlador seja programado
para manter o equilíbrio térmico em uma determinada faixa
de temperatura.
Como mostra o modelo da arquitetura de um dispositivo
inteligente representado na (Figura 1), este dispositivo
possui um núcleo onde são processados os dados e tomada
de decisões. Este núcleo é um microcontrolador com
interface de comunicação serial e de I/O, onde podem ser
adicionadas as interfaces com os sensores e atuadores além
da interface de rede.
O microcontrolador utilizado foi o ATmega8 da Atmel.
Este possui um conversor analógico-digital de seis canais,
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interface de comunicação serial e portas de I/O que são
suficientes para este projeto, como mostra a (Figura 3).
Figura 4
Figura 3
Configuração dos pinos do ATmega8.
Em um dos canais do conversor analógico-digital
(ADC0 – ADC5), foi colocado o sensor LM35D que é um
sensor de temperatura de alta resolução e na escala Celsius
capaz de cobrir temperaturas de 2ºC a 100ºC linearmente.
O ADC do microcontrolador ATmega8 é de 10 bits, isso
significa, considerando um sinal máximo de 5VDC, uma
resolução de 4,8mV por bit ou aproximadamente 0,5ºC a
cada mudança de bit.
Os botões que compõem parte da interface com o
usuário, permitem que sejam programadas as temperaturas,
mínima e máxima, admitidas pelo usuário. Assim, quando
no inverno, a temperatura cair ao seu valor mínimo
registrado previamente pelo usuário, o controlador poderá
acionar um aquecedor, por exemplo, e quando a
temperatura for ao máximo permitido em épocas de verão,
o controlador pode acionar um condicionador de ar ou até
mesmo abrir as janelas.
No esquema da (Figura 4), os atuadores são acionados
por uma interface de contato mecânico (relé), porém, a
depender do dispositivo a ser controlado, esse acionamento
pode ser feito pelo envio de uma mensagem, através da
interface de comunicação serial do microcontrolador, ao
dispositivo de destino.
As possibilidades com a interface serial do
microcontrolador são muitas. Pode-se adicionar um
circuito transmissor de RF ou um encoder com a pilha do
protocolo TCP/IP e permitir que um computador possa se
comunicar com este controlador aumentando as
possibilidades de utilização deste dispositivo.
Esquema do controlador de temperatura ambiente.
A interface visual com o usuário é um display de sete
segmentos com dois dígitos. Embora a resolução deste
dispositivo seja de 0,5ºC, não se faz necessário exibir esta
pouca variação da temperatura nas situações para as quais
este dispositivo foi proposto.
O software embutido no microcontrolador é o
responsável por todo o funcionamento do circuito que
compõe o dispositivo, interface de rede, e também pelo
tratamento dos dados de entrada e saída, sendo o mesmo, o
software de controle e de aplicação na mesma estrutura
física e lógica.
A programação da faixa de temperatura é feita quando o
usuário pressiona um dos botões durante dois segundos,
então o display fica piscando exibindo o valor da
temperatura salva na
memória EEPROM do
microcontrolador. Enquanto o usuário vai pressionando os
botões para subir ou descer o valor da temperatura, o valor
no display vai mudando e quando é escolhido um valor, o
usuário pressiona novamente o mesmo botão por dois
segundos para salvar as configurações e então o display
para de piscar e volta a exibir a temperatura ambiente. Na
(Figura 4) o pino (PD3) está ligado ao botão que programa
o limite superior da temperatura e o pino (PD2) programa o
limite inferior.
É comum ver nas casas inteligentes as luzes se
acenderem gradualmente até que seja alcançada uma
luminosidade desejada. Geralmente, isso é feito através de
dispositivos X10, porém são inúmeras as formas de se
fazer isso, dependendo da tecnologia de rede utilizada.
Alguns dispositivos encontrados à venda no mercado são
colocados na caixa do interruptor e podem ser controlados
por controle remoto ou pressionando o interruptor. Porém,
em alguns casos existe uma complicação na forma com que
as lâmpadas são acesas, às vezes é necessário apertar um
botão durante alguns segundos para ter um máximo de
luminosidade e então depois o aparelho pode controlar a
intensidade da luz, conforme o usuário deseja. Isso pode
ser um incomodo para alguns usuários que buscam maior
facilidade no manuseio. Outros dimmers dão pulsos de luz
em potência máxima para então entrar na função de
controle de intensidade laminosa, fazendo lembrar uma
lâmpada com o filamento solto que fica piscando com o
balanço da mesma.
A proposta deste projeto traz uma forma não definitiva,
porém eficaz, de controlar a intensidade das lâmpadas
através de uma interface simples de interruptor com
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manuseio fácil e intuitivo, sendo os comandos enviados via
radiofreqüência a um receptor que acomoda a lâmpada a
ser acesa.
O circuito da (Figura 5) utiliza um microcontrolador
(ATtiny2313) para interpretar o acionamento de dois
botões, posicionados de forma a mostrar ao usuário
intuitivamente qual o botão que acende e o que apaga a luz.
Ao mesmo tempo o microcontrolador envia um sinal em
paralelo de quatro bits para um encoder (HT12E) que passa
esse sinal para um transmissor de RF (TWS-315) que opera
na freqüência de 433.9MHz.
Figura 5
Desenho esquemático do interruptor Wireless
disparo do triac. Como a proposta deste dimmer é controlar
digitalmente a potencia de uma carga via RF, foi
necessário desenvolver uma maneira de substituir o
potenciômetro analógico.
A utilização de um potenciômetro digital tornou-se
inviável devido a este ser geralmente encontrado para
circuitos de baixa potência e tensão. Assim, foi utilizado a
distribuição de algumas resistências de valores diferentes
de forma gradual, neste caso foram utilizados quatro
resistores entre 20k e 100k, para simular um potenciômetro
discreto.
O esquema da (Figura 7) é o modelo do receptor do sinal
de controle e também onde a potência da carga (lâmpada
incandescente) é controlada. Neste circuito, o sinal é
demodulado e convertido de serial para paralelo com
quatro bits, sendo que as combinações dos bits fazem
associações entre os resistores (resistência equivalente) que
juntamente com o capacitor, alteram a fase de disparo do
triac.
Como o circuito de controle do disparo do triac é digital,
que é o sinal decodificado pelo (HT12D) após ser
demodulado pelo receptor de RF (RWS-371), faz-se
necessário o isolamento deste circuito de controle, de baixa
tensão (5VDC), e o circuito a ser controlado, de alta tensão
(220VAC). Para isso foi adotado o circuito integrado
(MOC3020) que é um opto-triac, assim o circuito de
controle acende o LED do triac que o dispara deixando
passar a corrente da rede para outro triac (TIC226D) onde
se encontra a lâmpada a ser acesa. Ambos os triacs
suportam tensões de até 400V.
O capacitor, associado aos resistores em paralelo,
controlam a fase em que o TIC é disparado permitindo a
dosagem da potência fornecida para a lâmpada. Isso é feito
através das associações dos resistores.
A alimentação deste circuito é uma fonte chaveada
provinda de um carregador para celular com 7,6V e
800mA.
O usuário pode pressionar uma vez um dos botões e a
luz aumentará ou abaixará um nível dos nove possíveis que
vão de apagada à totalmente acesa. Caso queira mudar de
nível, gradualmente, o usuário só precisa manter
pressionado um dos botões.
O LED, incluído no circuito, apenas funciona de modo
estético para ser possível visualizar os botões no escuro
conforme a foto da (Figura 6).
Figura 6
Interruptor Wireless com sua interface visual.
Os esquemas de dimmers, comumente encontrados na
Internet, utilizam um potenciômetro linear para controlar o
Figura 7
Esquema do receptor Dimmer Wireless
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Conforme a foto da (Figura 8), o receptor, decodificador
do sinal do interruptor e dimmer, possui pinos para serem
plugados na “tomada” da rede elétrica e também possui
uma tomada própria, onde é plugada a carga a ser
controlada como um abajur por exemplo.
usam os profissionais integradores ou outras empresas para
irem ao usuário final, sendo assim fica difícil alguém de
classe menos favorecida ter acesso à Domótica. É certo que
na domótica, muitos dos recursos não podem ser
barateados, devido principalmente ao tipo de tecnologia
usada e pela dificuldade de obtê-la. Algumas opções como
teto retrátil, reconhecimento de voz e imagem além de
leituras biométricas ainda não são accessíveis para a
maioria dos usuários de classe media-baixa devido ao custo
bastante elevado.
Mesmo encontrando alguns dispositivos mais simples no
mercado do varejo, e que geralmente não são vendidos
pelas empresas especializadas em Domótica, estes poucos
dispositivos ainda não conseguem atender a todas as
necessidades mais básicas do consumidor de classe média.
5
Figura 8
3
Interface receptora Dimmer Wireless
RESULTADOS
Mesmo considerando que estes dispositivos são um
protótipo, o custo ainda é baixo comparado a outros
dispositivos semelhantes no mercado.
O controlador de temperatura ambiente desenvolvido
neste trabalho foi testado e comparado com um termômetro
de mercúrio durante varias horas em dias diferentes,
mostrando uma boa fidelidade ao termômetro de mercúrio,
possibilitando um controle preciso da temperatura. Ao
faltar energia, a programação feita pelo usuário não é
apagada devido ao fato de as informações da faixa de
temperatura estarem gravadas em memória EEPROM no
microcontrolador.
No dimmer wireless há uma boa comunicação entre
transmissor e receptor e a luz, quando acesa pelo receptor,
dá alguns saltos devido aos valores dos resistores usados e
a associação feita entre eles, isso seria reduzido se fosse
acrescentado mais pinos para aumentar o número de
associações e diminuir os saltos. Também é possível
utilizar o circuito integrado (HT7700) que é um dimmer
para lâmpadas incandescentes e utiliza pouca eletrônica
analógica para seu funcionamento. A transmissão e
recepção do sinal foram testadas com o transmissor dentro
de um ambiente e o receptor noutro ambiente, tendo entre
eles além de paredes de alvenaria, um corredor. Nestas
condições, a recepção ocorreu normalmente sem apresentar
nenhum problema.
4
CONCLUSÃO
Neste trabalho foi possível identificar que é pode-se
implementar automação residencial a baixo custo e ainda
apresentou a possibilidade da não utilização de um
profissional integrador. Para tanto, foram utilizadas idéias
convencionais com a utilização de dispositivos inteligentes
de baixo custo não abrindo mão das funcionalidades
requeridas pelo sistema de automatização. Ainda, pode-se
verificar que tal solução permite que o próprio usuário
possa não só controlar todo o sistema, mas também realizar
todo o processo de instalação de forma fácil, rápida e
prática.
6
REFERÊNCIAS
[1] Meyer, G. (2004) “Smarth Home Hacks. Tips & Tools
for Automating Your House” Sebastopol: O’Reilly Média.
[2] Bolzani, C.A.M. (2004), Residências inteligentes, São
Paulo: Livraria da Física.
[3] Teruel, E.C., Novelli Filho, A. (2007) “Principais
tecnologia de automação residencial comercializadas no
Brasil e suas características” Anais do II Workshop de PósGraduação e pesquisa do CEETEPS, p. 2-4.
[4] Teruel, E.C., Novelli Filho, A. (2007) “Automação
residencial: pesquisa quantitativa para conhecer a
necessidade do cliente” Anais do II Workshop de PósGraduação e pesquisa do CEETEPS, p. 2-4.
DISCUSSÃO
Visto que o mercado de automação residencial no Brasil
ainda é restrito à classe alta da sociedade, e ainda que, no
trabalho realizado por Teruel e Novelli [4] ficam expostas
as restrições que as provedoras de Domótica no Brasil têm
ao lidar diretamente com o usuário final, elas simplesmente
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