PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - PUCPR ESCOLA POLITÉCNICA ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO ADRIANNO ESNARRIAGA SERENO LUCAS ANTONIO JOHNSON

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1 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - PUCPR ESCOLA POLITÉCNICA ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO ADRIANNO ESNARRIAGA SERENO LUCAS ANTONIO JOHNSON RELATÓRIO TÉCNICO FINAL idash CURITIBA

2 ADRIANNO ESNARRIAGA SERENO LUCAS ANTONIO JOHNSON RELATÓRIO TÉCNICO FINAL idash Relatório técnico final apresentado à disciplina de Projeto Final II, do curso de Engenharia de Computação da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como parte integrante da nota do 2º semestre, ministrada pelo professor Ph.D. Luiz A. de P. Lima Jr. Orientador: prof. Dr. Guilherme Nogueira Nunes CURITIBA

3 RESUMO O projeto idash tem como objetivo desenvolver um equipamento responsável por realizar a monitoração de painéis luminosos, e após realizadas estas detecções da mudança de estados das luzes (acesas ou apagadas), o sistema notificará o usuário por meio de mensagens SMS para algum número previamente definido. 3

4 SUMÁRIO 1. ORGANIZAÇÃO DO DOCUMENTO INTRODUÇÃO PROPOSTA INICIAL DETALHAMENTO DO PROJETO - HARDWARE Materiais utilizados Sensor: TIL Painel luminoso Central Arduino (Arduino, 2014) DETALHAMENTO DO PROJETO SOFTWARE CRONOGRAMA PROCEDIMENDO DE TESTE E VALIDAÇÃO DO PROJETO TESTES CAIXA- PRETA TESTES CAIXA- BRANCA RISCOS CUSTOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS RESPONSABILIDADES

5 LISTA DE FIGURAS Figura 01 Luzes em um painel de carro Figura 02 Painel de monitoração médica Figura 03 Pseudocódigo do projeto Figura 04 Diagrama em blocos com visão geral básica do projeto Figura 05 Características básicas Figura 06 Circuito elétrico típico do TIL Figura 08 Visão geral do sensor usando TIL Figura 09 Arduino MEGA Figura 10 Especificações técnicas do Arduino MEGA Figura 11 Shield GSM Figura 12 Placa de sensibilidade com OPAMP Figura 13 Arduino software IDE Figura 13 Cronograma do projeto Figura 15 Linha temporal das atividades Figura 16 Teste de variação do valor dos sensores Figura 17 Teste de comunicação (envio) Figura 18 Teste de comunicação (recebimento) Figura 19 Algoritmo de busca de luz Figura 20 Verificação de conectividades Figura 21 Protótipo inicial do projeto Figura 22 Protótipo inicial do projeto Figura 23 Pack de baterias que alimentam o circuito LISTA DE TABELAS Tabela 01 Testes Tabela 02 Análise dos riscos Tabela 03 Custo estimado

6 1. ORGANIZAÇÃO DO DOCUMENTO Este documento está organizado em diferentes seções: introdução, proposta inicial do projeto, detalhamento do problema, separados em hardware e software; cronograma, procedimentos de teste e validação do projeto, análise de riscos, custos e conclusão. Na primeira seção, Introdução projeto se trata. é introduzido brevemente do que o Na seção Proposta inicial, descrevemos a proposta inicialmente pensada pela equipe, bem como o problema que propusemos resolver. Na seção Detalhamento do projeto, são apresentados aspectos tecnológicos relevantes, separados em duas seções hardware e software, bem como suas importâncias para a solução implementada no projeto. Na seção Cronograma, será descrito o cronograma do projeto. Na seção Procedimentos de teste e validação do projeto, será descrito como os módulos do projeto serão testados e validados. Na seção Análise de riscos, será feita uma análise completa de todos os problemas que possam ocorrer no desenvolvimento do projeto e do impacto desses problemas no projeto. Na seção Custos, colocamos a cotação aproximada de gastos com o desenvolvimento do projeto. Na seção Conclusão, relatamos a respeito do que concluímos a respeito do desenvolvimento do nosso projeto, bem como as dificuldades encontradas e como foram superadas. 6

7 2. INTRODUÇÃO A detecção na mudança de estados, de ligado para desligado ou vice-e-versa, causa uma notável diferença no monitoramento de painéis luminosos, pois a cada mudança de estado, pode ser um sinal de que pode estar ocorrendo algum problema no sistema que está sendo monitorado e o usuário deve ser notificado disso. Essa notificação ao usuário, informa a respeito de alguma mudança no sistema em tempo real, aumentando a comodidade da pessoa responsável por tomar conta desse sistema e aumentando também a eficiência da manutenção de possíveis falhas ou inconsistências. 3. PROPOSTA INICIAL Inicialmente, a proposta do projeto idash é bem clara: desenvolver uma ferramenta que detecte se alguma das luzes do painel do carro (Figura 01), está ou não, acesa e assim, notifique pelo celular o motorista e/ou uma terceira pessoa, informando qual das luzes está acesa (óleo, motor, água, vazamentos, etc). Figura 01 Luzes em um painel de carro 7

8 Nossa proposta é muito abrangente e pode se aplicar em diversos campos, como por exemplo na área da saúde, pela monitoração de LEDs em painéis luminosos de sistemas de monitoração de pacientes em UTIs, como mostra a Figura 02 abaixo: Figura 02 Painel de monitoração médica 8

9 4. DETALHAMENTO DO PROJETO - HARDWARE Sem nenhum recurso tecnológico, o controle e monitoração de painéis luminosos apresenta-se lento e fica dependente do olho humano, o que na maioria das vezes é suscetível a falhas ocasionadas pela distração natural do ser humano e a falta de capacidade de aquisição de imagens do globo ocular. Devido a esse problema, surgiu a idéia de desenvolver este projeto com base em um sensor de imagem. Combinado com técnicas de processamento de imagens, pode-se detectar e identificar fontes de luzes diferentes, indicando qual luz está acesa. Abaixo, apresentamos o pseudocódigo do funcionamento do projeto (Figura 03) e o diagrama em blocos, com a visão geral básica de funcionamento do mesmo (Figura 04). Figura 03 Pseudocódigo do projeto 9

10 Figura 04 Diagrama em blocos com visão geral básica do projeto 4.1 Materiais utilizados 4.2 Sensor: TIL 78 Figura 05 Características básicas O TIL78 é o fototransistor que utilizamos para construir o sistema de sensores do projeto. O mesmo possui dois terminais (Figura 05), correspondendo ao coletor e emissor do transistor. A base é ativada pela luz: quando uma quantidade suficiente de luz é captada, o transistor conduz, permitindo a passagem de corrente do coletor para o emissor. Sem a luz, o transistor não conduz e coletor e emissor ficam isolados. O circuito típico deste componente é mostrado abaixo, na Figura 06: 10

11 Figura 06 Circuito elétrico típico do TIL 78 Sem luz, o fototransistor não conduz e a saída está em 5V. Com luz, o fototransistor conduz. Com o LED bem próximo (até 1 cm) e apontado corretamente, o fototransistor estará saturado e a tensão na saída será da ordem de 0,2V. Fisicamente o TIL78 é idêntico a um LED, sendo encontrado com encapsulamento transparente ou azulado. O terminal com o chanfro é o coletor, que deverá estar positivo em relação ao outro terminal (emissor). Nota-se que tipicamente o terra é ligado ao lado "chanfrado" do LED e ao lado "não chanfrado" do fototransistor. Figura 07 Visão geral do TIL 78 11

12 O painel de sensores, utilizando o TIL 78 foi feito em uma placa separada, que é ligada por cabos flats à placa onde estão os amplificadores operacionais. Esta placa deve ficar em direcionada ao painel luminoso para realizar a detecção. Os sensores foram ligados em série, com suas polaridades separadas (positivas para o lado de cima e negativas abaixo), como mostra a figura 08 abaixo: Figura 08 Visão geral do sensor usando TIL Painel luminoso A príncipio, o objetivo inicial do projeto seria a identificação de luzes em um painéis automotivos, porém decidimos que seria também interessante extender o uso do projeto para qualquer painel que necessite detecção e aviso caso alguma luz do mesmo seja acesa, como por exemplo na área hospitalar, 12

13 onde existem diversos painéis diferentes em equipamentos médicos utilizados para monitorar pacientes e que necessitam ser monitorados também. 4.3 Central A central é composta por: Arduino (Arduino, 2014) Arduino é uma plataforma de computação open-source baseado em uma placa com entradas e saídas tanto digitais como analógicas e possui um próprio ambiente de desenvolvimento que implementa a Linguagem C. O Arduino pode ser usado para desenvolver objetos interativos autônomos ou pode ser conectado a um software em seu computador. O Ambiente de desevolvimento (IDE) open-source pode ser obtido gratuitamente (atualmente disponível para Mac OS X, Windows, e Linux). Figura 09 Arduino MEGA Em nosso projeto, utilizamos o modelo Mega O Arduino Mega 2560 é uma placa de microcontrolador baseada no Atmega 2560, possui 54 pinos de entradas/saídas digitais, 16 entradas analógicas, 4 UARTs (portas seriais de hardware), um oscilador de cristal de 16 MHz, uma conexão USB, uma entrada de alimentação, uma conexão ICSP e um botão de reset. 13

14 Ele contém tudo o que é necessário para dar suporte ao microcontrolador, bastando conectá-lo a um computador com um cabo USB ou a uma fonte de alimentação e já está pronto para começar o desenvolvimento do projeto. O modelo Mega 2560 é compatível com a maioria dos shields desenhados para os modelos: Arduino Uno, Duemilanove e para o Diecimila; possuindo ainda o dobro de memória do antigo Arduino Mega. Este Arduino é uma cópia do original sendo portanto um clone, ou seja, possui a mesma estrutura e componentes, mas difere pois não foi produzido originalmente na Itália. Especificações técnicas: Figura 10 Especificações técnicas do Arduino MEGA 14

15 4.3.2 Shield GSM (Arduino, 2014) Figura 11 Shield GSM Para o Arduino comunicar-se e enviar a mensagem SMS é necessário integrar ao Arduino um Shield GSM. Este shield para Arduino que iremos utilizar, é baseado no módulo SIM900 SIMCOM que é um modulo consagrado para GSM/GPRS, além de ser Quad-Band. Este Shield GPRS nos proporciona uma forma de comunicar usando a rede de telefonia celular GSM. Este módulo, permite que você consiga SMS, MMS, GPRS e áudio via UART enviando comandos AT (GSM 07.07, e SIMCOM maior Comandos AT). Ele também tem os 12 GPIOs, 2 PWMS e um ADC do módulo SIM900 (possuindo toda a lógica 2V8) na placa, além da pilha TCP/IP integrada, facilitando o acesso ao hardware remotamente pela internet. Após plugarmos o shield no Arduino, tivemos então disponível uma conexão GSM/GPRS 850/900/1800/1900 MHz de alto desempenho para Voz, SMS, dados (internet) e fax. 15

16 Especificações técnicas: Quad-Band 850 MHz / 900 / 1800 / 1900 preparado para funcionar em redes GSM em todos os países do mundo; GPRS multi-slot classe 10/8, classe de telefonia B; Compatível com GSM fase 2/2 + Classe 4 850/900 MHz); Classe /1900 MHz); Controle feito através de comandos AT; Short Message Service (SMS) - pode-se enviar pequenas quantidades de dados através da rede (hexadecimal ASCII ou cru); Incorporada pilha TCP/UDP permite que você envie dados para um servidor web; RTC suportado; porta serial selecionável; Microfone e fones de ouvidos com baixo consumo de energia (aproximadamente 1,5 ma no modo sleep); Temperatura de trabalho 40 C a 85 C.! Dependência de um computador Utilizaremos o computador apenas para realizar a configuração da intensidade da luz do painel luminoso e configurar o número do telefone que o sistema notificará via mensagem SMS, bem como toda a programação que será embarcada no microcontrolador. 16

17 4.4 Diagrama Elétrico Na imagem abaixo, está o diagrama elétrico do circuito projetado com o amplificador operacional TL 074, que oferece maior sensibilidade na detecção de luz dos sensores do projeto. Figura 12 Placa de sensibilidade com OPAMP 17

18 5. DETALHAMENTO DO PROJETO SOFTWARE A parte relacionada à software do nosso projeto foi desenvolvida em linguagem C, a partir da IDE exclusiva do Arduino, que permite a criação de sketches para a placa Arduino e a linguagem de programação é modelado a partir da linguagem Wiring. Quando pressionamos o botão upload da IDE, o código que está escrito é traduzido para a linguagem C e é enviado para o compilador AVR-GCC, que traduz os comandos para uma linguagem que pode ser entendida pelo microcontrolador. Figura 13 Arduino software IDE 18

19 5.1 Código fonte No final deste relatório, na seção ANEXO A, encontra-se o código de fonte do projeto: declaração de variáveis, uso das bibliotecas inerentes ao ambiente de desenvolvimento, lógica de catptura e detecção de luz, etc. Gostaríamos de destacar o algoritmo de detecção e captura de luz, que lê todos os valores dos sensores e calcula uma média a cada 20 segundos, para depois compara os valores previamente medidos, com o valor que está sendo medido no momento. Com essa solução, resolvemos o problema de diferença na iluminação ambiente, como por exemplo se o carro que o sistema está instalado entra em um túnel ou estaciona embaixo de uma árvore. 6. CRONOGRAMA O cronograma deste projeto teve início em 05/02 quando começou a discutir idéias de interesse do grupo, em relação ao mesmo. O projeto será desenvolvido em aproximadamente 110 dias corridos, se levarmos em consideração apenas o primeiro semestre. O cronograma do projeto foi desenvolvido utilizando-se o software Microsoft Project. A primeira fase de entregas do 2 o semestre foi realizada no dia 26/09, onde apresentamos o protótipo do projeto. Já a segunda entrega, onde iremos apresentar a versão final do projeto e entregar este documento, será realizada entre os dias 17/11 à 21/11. Sendo a data limite para esse primeiro semestre do dia 17/06 ao dia 21/06 segue a lista de tarefas abaixo: 19

20 Figura 14 Cronograma do projeto 20

21 Figura 15 Linha temporal das atividades 21

22 7. PROCEDIMENDO DE TESTE E VALIDAÇÃO DO PROJETO # TESTE RESULTADO ESPERADO TIPO DE TESTE 1 Funcionamento dos sensores Sensor funcionando com a intensidade de luz do ambiente Caixa Preta 2 Cadastro de fonte luminosa Os dados dos sensores para essa luz arquivados Caixa Preta 3 Teste de comunicação GSM Mensagem recebida Caixa Preta 4 Comunicação de aviso Mensagem enviada Caixa Preta 5 Teste de busca de luz Detecta o número do LED aceso (Serial Monitor) Caixa Preta 6 Luminosidade do ambiente Sensor funcionando perfeitamente Caixa Branca 7 Funcionamento dos circuitos Circuito funcionando sem falhas nas trilhas Caixa Branca Tabela 01 Testes 5.1. Testes Caixa-preta Funcionamento dos sensores O objetivo deste teste é verificar se o sensor está funcionando normalmente, sendo exposto à luz do ambiente em que se encontra. A resposta de cada sensor é avaliada através da mudança dos valores que 22

23 recebemos através da porta serial, ou seja, se uma luz incide sobre eles, estes valores devem mudar. Figura 16 Teste de variação do valor dos sensores Cadastro de fonte luminosa O objetivo deste teste é verificar se, após detectar uma luz, sistema a cadastra como fonte luminosa. Após expormos os sensores à uma fonte luminosa é necessário checar se uma instância de uma struct teve seu valor alterado com os dados dessa fonte Teste de comunicação GSM O objetivo deste teste é verificar se o Shield GSM está conseguindo enviar corretamente a mensagem ao número de celular pré cadastrado, com a informação de que a luz está acesa Comunicação de aviso Figura 17 Teste de comunicação (envio) 23

24 O objetivo deste teste é fazer com que, ao detectar a mudança no estado da luz que está sendo detectada, o sistema envie uma mensagem (SMS) ao número pré-estabelecido informando qual das luzes está acesa Teste de busca de luz Figura 18 Teste de comunicação (recebimento) O objetivo deste teste é verificar se quando uma luz previamente cadastrada é acesa, o Arduino é capaz de identificar se ela é uma das fontes que já foi cadastrada. Este teste é realizado internamente pelo algoritmo desenvolvido na IDE do Arduino e pode ser vista na figura abaixo: 24

25 Figura 19 Algoritmo de busca de luz Este foi um teste muito importante para o desenvolvimento do projeto, pois através dos resultados do mesmo, chegamos a conclusões que nos levaram à desenvolver o algoritmo de captura e detecção de luz, através do cálculo em média dos valores lidos pelos sensores Testes Caixa-branca Luminosidade do ambiente O objetivo deste teste é testar o tipo de iluminação ambiente que podese sujeitar o sensor, e o mesmo funcionar perfeitamente. Neste teste efetuamos diversas medições para ajustar o range de captura do sensor, que vai de 0 a 1024, que pode ser visto através dos resultados reproduzidos no serial monitor da IDE do Arduino. Este teste foi muito importante para o desenvolvimento do projeto, pois com ele pudemos perceber que usando o amplificador operacionai TL074, conseguimos realizar a captura dos pontos luminosos com melhor precisão, pois os sensores se tornam mais sensíveis. 25

26 5.1.7 Funcionamento dos circuitos O objetivo deste teste é fazer com que o Arduino comunique-se com os periféricos que serão ligados e desligados. Para a realização deste teste é necessário o uso de um multímetro para testar as vias de comunicação do circuito ponto a ponto, para verificar algum possível curto-circuito. Figura 20 Verificação de conectividades 26

27 8. RISCOS Neste tópico apresentamos de forma clara os riscos que demandam o nosso projeto. Utilizamos a seguinte notação nos quadros abaixo: probabilidade de ocorrência (Alta=3, Média=2, Baixa=1) impacto no projeto caso o risco ocorra (Alta=3, Média=2, Baixa=1) severidade: pode ser expressa como S=P*I (probabilidade x impacto) # DESCRIÇÃO PROBABILIDADE IMPACTO SEVERIDADE PREVENÇÃO CONTINGÊNCIA 1 Novos requisitos 2 Alto Documentação Insuficiente Alteração do escopo Não conclusão do projeto no prazo estabelecido 2 Médio 4 1 Alto 3 2 Alto 6 Respeitar os requisitos impostos no início do projeto Estudar e pesquisar outros documentos acadêmicos Procurar alternativas para desenvolvimento do projeto Cumprir o cronograma a rigor Analisar alternativas para adicionar novos requisitos Buscar auxílio com os professores Buscar alternativas para desenvolvimento do projeto Re-agendar as tarefas 5 Cronograma Inviável 3 Médio 6 Reformular cronograma Analisar novamente datas do cronograma 6 Sensor não detecta luz 2 Alto 6 Proporcionar um ambiente com boa iluminação Re-calibrar sensor 7 Impossibilidade de reunião com orientador 1 Baixo 1 Marcar datas para reuniões antecipadamente Marcar nova data com o orientador 8 Atraso/problema na compra de equipamento 3 Médio 6 Fazer compras antecipadamente Procurar equipamentos equivalentes 27

28 9 Falhas com equipamentos 2 Alto 6 Ter equipamentos reservas Comprar equipamentos equivalentes Dificuldade de integração entre equipamentos Dificuldade na implementação do código fonte Perda de integrantes da equipe 3 Alto 9 3 Alto 9 1 Baixa 3 Estudar e pesquisar formas de integração Estudar e pesquisar métodos para implementação Manter contato com os integrantes da equipe e fornecer um ambiente saudável para trabalhar Pesquisar e buscar auxílio com os professores Pesquisar e buscar auxílio com os professores Reuniões semanais para discutir problemas eventuais 13 Atraso/problema com o desenvolvimento do projeto 3 Médio 6 Seguir cronograma Analisar novamente datas do cronograma 14 Falta de memória no Arduino 3 Alto 9 Atentar para o fato de utilizar mais memória do que tem Rever a programação Tabela 02 Análise dos riscos 28

29 9. CUSTOS Abaixo, apresentamos uma tabela atualizada do custo total do projeto: # ITEM VALOR 1 ARDUINO MEGA R$ 100,00 2 SHIELD GSM R$ 240,00 3 STONYMAN CHIP R$ 170,00 + R$ 95,00 (imposto de importação) 4 Interface elétrica R$ 170,00 5 Componentes elétricos/eletrônicos R$ 125,00 6 Materiais diversos R$ 110,00 TOTAL R$ 1010,00 Tabela 03 Custo estimado (aproximado) 29

30 10. CONCLUSÃO O projeto idash, conforme foi descrito nas páginas anteriores deste documento, é um projeto de conclusão do curso de Graduação em Engenharia de Computação, e tem como principal objetivo agregar, combinar e unir todos os conhecimentos adquiridos durante todo o curso de graduação e utilizá-los no desenvolvimento desse projeto para propor uma solução à este problema existente - desenvolver uma ferramenta que detecte a mudança de estados das luzes do painel do carro e notifique pelo celular o motorista e/ou uma terceira pessoa, informando qual das luzes está acesa. Demonstramos as principais etapas para o desenvolvimento do projeto, tais como especificações do problema, tecnologias que foram utilizadas, detalhamento do projeto quanto à aspectos de software e de hardware, descrição e validação dos testes caixa preta e caixa branca, riscos que possam ocorrer durante todo o desenvolvimento do mesmo e também apresentado neste documento um diagrama geral do projeto e um diagrama detalhado. Para o desenvolvimento completo do projeto, foram realizados encontros previamente marcados com o professor orientador, a fim de sanar eventuais dúvidas ou problemas a respeito do projeto e de sua documentação. O comprometimento de todos os envolvidos no projeto, também foi muito importante para a conclusão do mesmo, haja vista que encontramos muitas dificuldades pelo caminho e os sensores que planejamos previamente utilizar chegou dos EUA apresentando defeitos, nos impossibilitando de usá-los no desenvolvimento do projeto. Após implementarmos o projeto até este ponto, em relação aos Riscos, concluímos que a dificuldade de integração entre equipamentos e falhas nos mesmos, causaram atrasos no andamento do projeto e nos fizeram buscar alternativas para substituir o módulo de detecção de luz. Diante das dificuldades encontradas, tivemos uma grande aprendizado, através da necessidade de nos planejar novamente para solucionar o problema dos sensores e encontramos uma alternativa mais barata, porém com perda de 30

31 certa precisão e de funcionalidades extras existentes no módulo anteriormente adquirido. Ao final do desenvolvimento deste projeto produzimos resultados satisfatórios, que irá ganhar a confiança de usuários que necessitem monitorar painéis luminosos de uso geral, e que possa futuramente ganhar o mercado em aspecto real. O projeto idash teve como objetivo e motivação levar um produto tecnológico ao cliente com preço acessível, comodidade, conforto e facilidade e uso para os usuários que adquirirem o sistema. Com isso esperamos estimular o uso dessa tecnologia para aplicações e soluções que não são vistas com tanta frequência no Brasil. 31

32 11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS WIKIPÉDIA: Gadget. Disponível em: Último acesso em: 04 de junho de Microsoft Project Professional. Disponível em: demonstracao-de-ppm-microsoftproject-fx aspx. Último acesso em: 24 de junho de Boylestad, Robert L. Introdução à Análise de Circuitos Prentice Hall/Pearson, 10a. Ed, ARDUINO: Arduino Mega. Disponível em: Último acesso em: 05 de junho de ARDUINO: Arduino GSM Shield. Disponível em: Último acesso em: 04 de junho de ARDUINO: THE ARDUINO SOFTWARE. Disponível em: Último acesso em: 16 de setembro de ARDUINO: LIBRARIES. Disponível em: Último acesso em: 12 de novembro de TIL 78: Fototransistor TIL 78. Disponível em: Último acesso em: 21 de setembro de Boylestad, Robert; Nashelesky, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 5ta. Ed. Rio de Janeiro: Prentice-Hall do Brasil,

33 12. RESPONSABILIDADES A responsabilidade desse documento é por parte dos integrantes representados pelos abaixo-assinados: Adrianno Esnarriaga Sereno Lucas Antonio Johnson 33

34 ANEXO A CÓDIGO FONTE ANEXO B DEMAIS IMAGENS 34

35 Figura 21 Protótipo inicial do projeto Figura 22 Protótipo inicial do projeto Figura 23 Pack de baterias que alimentam o circuito 35