UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA JEAN CARLO VARGAS GARCIA PLATAFORMAS ANDROID E ARDUINO E TECNOLOGIA BLUETOOTH APLICADOS A ROBÓTICA

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1 UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA JEAN CARLO VARGAS GARCIA PLATAFORMAS ANDROID E ARDUINO E TECNOLOGIA BLUETOOTH APLICADOS A ROBÓTICA Palhoça 2013

2 JEAN CARLO VARGAS GARCIA PLATAFORMAS ANDROID E ARDUINO E TECNOLOGIA BLUETOOTH APLICADOS A ROBÓTICA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica Telemática da Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Anderson André Soares, Dr. Eng. Palhoça 2013

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4 Dedico este trabalho ao meu irmão Gabriel Vargas de Melo (em memória), por ter passado pela minha vida e semeado tanta coisa boa, por fazer parte da minha história. A Deus, que me deu o veneno, e quase ao mesmo tempo o antidoto, minha filha Laura que está prestes a nascer.

5 AGRADECIMENTOS Agradeço a toda minha família, em especial meus pais e avós, que sempre foram minha referência como exemplo. Obrigado por cada palavra de incentivo e orientação. Certamente foram eles os responsáveis pela pessoa de caráter que sou e por todos os objetivos que atingi. Aos meus tios e tias, por terem me inserido no ramo e ajudado a despertar o interesse pela eletrônica, o que foi o fator decisivo para escolha do curso de Engenharia Elétrica Telemática. Aos meus irmãos que apesar da distância estão muito próximo em meu coração. Muito obrigado por todo amor e carinho; aos meus primos por todo incentivo. À minha esposa Cristiane, pela paciência que teve nos meus momentos de ausência enquanto me dediquei ao curso, por seu amor, apoio, exemplos e por estar me proporcionado à graça de ser pai. A todos os colegas e professores, por toda paciência, atenção, incentivo e apoio. Ao professor Dr. Anderson André Soares e a professora Sheila Santisti Travessa, por terem dedicado seus valiosos tempos para me orientar na elaboração deste trabalho. Finalmente aos professores Marcelo Daniel Berejuck e Robinson Pizzio por aceitarem fazer parte da banca.

6 Se não puder voar, corra. Se não puder correr, ande. Se não puder andar, rasteje, mas continue em frente de qualquer jeito (MARTIN LUTHER KING).

7 RESUMO Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de controle com o uso das tecnologias Android, Arduino e Bluetooth. Tal sistema foi originalmente desenvolvido para substituir o sistema de controle do UNIBOT (plataforma de desenvolvimento de soluções para sistemas autônomos e automáticos e tecnologia em robótica móvel da UNISUL - Universidade do Sul de Santa Catarina), anteriormente realizado com controle com fios, por outra tecnologia que utiliza rádio frequência. Para tanto, recorreu-se a tecnologia Bluetooth, utilizando como base a plataforma Arduino. Uma vez desenvolvido tal protótipo, também foi possível expandi-lo para outra aplicação, um controle de portão de garagem teve acoplado em seu sistema original o sistema proposto. Nas duas aplicações o controle será através de um smartphone com S.O. Android, a partir de aplicativos desenvolvidos para este fim. Palavras-chave: Android, Arduino, Bluetooth, MIT, App Inventor.

8 ABSTRACT This paper introduces the development of a control system based on Android, Arduino and Bluetooth technologies. This system was originally developed to replace the UNIBOT (develop solution in autonomous systems and robotic technologies of the UNISUL - University of Southern Santa Catarina) control device, previously performed by a wired joystick, through another solution based on frequency radio. To reach this goal, Bluetooth technology and Arduino prototyping platform were used. From the first prototype, a new application was developed for use in used in the automation of an electronic gate garage. In both prototypes developed a phone with android operating system was used. Keywords: Android, Arduino, Bluetooth, MIT, App Inventor.

9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 Fotografia do Unibot Figura 2 Logotipo Android Figura 3 App Inventor Designer Figura 4 Coluna Palette Figura 5 Coluna Viewer Figura 6 Coluna Componens Figura 7 Coluna Properties Figura 8 Logotipo Bluetooth Figura 9 Topologias Figura 10 Pilha de protocolos Figura 11 Versão Uno Figura 12 IDE Arduino Figura 13 Shild Bluetooth Figura 14 Diagrama Figura 15 Tela Inicial App Inventor Figura 16 Inserindo novo projeto Figura 17 Tela principal Figura 18 Exemplo edição de componente Figura 19 Acesso à tela Blocks Editor Figura 20 Tela principal Blocks Editor Figura 21 Interface do Aplicativo Unibot Figura 22 Interface do Aplicativo para portão Figura 23 Esquema elétrico da placa de controle do Unibot criado no software Proteus Figura 24 Protótipo placa Unibot, visão 3D Figura 25 Placa após montada e instalada no Unibot Figura 26 Protótipo portão de garagem Figura 27 Protótipo portão de garagem instalado... 46

10 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Classes de energia, potências de transmissão e alcance dos transmissores em área aberta Tabela 2 Especificação do hardware Tabela 3 Especificação do módulo Bluetooth Tabela 4 Caracteres utilizados no Firmware embarcado no microcontrolador do Unibot Tabela 5 Caractere utilizado no Firmware embarcado no microcontrolador do portão

11 LISTA DE ABREVIATURAS ACL Asynchronous Connectioon Less AFH Adaptive Frenquency Hopping API Application Programming Interface FSK Frequency-Shift Keying GFSK Gaussian Frequency-Shift Keying IDE Integrated Development Environment ISM Industrial Scientific Medical L2CAP Logical Control and Adaptation Protocol LM Link Manager LMP Link Manager Protocol MAC Media Access Control MIT Massachusetts Institute of Technology OSI Open Systems Interconnection PAN Personal Area Network PCI Placa de Circuito Impresso QoS Quality of Service SCO Synchronous Connection Oriented SIG Special Interest Group SO Sistema Operacional

12 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO MOTIVAÇÃO JUSTIFICATIVA OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos METODOLOGIA DA PESQUISA ESTRUTURA DO TRABALHO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA UNIBOT ANDROID Android e o Bluetooth APP INVENTOR App Inventor Designer Bloco Palette Bloco Viewer Bloco Components Bloco Properties App Inventor Blocks Editor BLUETOOTH Espectro e interferência Classes e Alcance Versões do protocolo Modulação e comunicação Arquitetura Piconets Scatternet Controle de acesso e segurança ARDUINO Especificação do hardware Programação Shield Bluetooth DESENVOLVIMENTO O funcionamento Aplicativo para Smartphone Criando novo projeto Programação visual Programação em blocos Firmware Arduino Firmware Unibot e portão da Garagem Placas de controle Placa Unibot Placa portão CONCLUSÔES E TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS... 48

13 13 1 INTRODUÇÃO Com base nos passos revolucionários que a tecnologia sem fio tomou durante as últimas duas décadas, os fabricantes de aparelhos eletrônicos recentemente observaram que existe uma imensa apreciação do consumidor para remover fios (RAPPAPORT, 2009, p.37). A capacidade de substituir cabos por conexão sem fio, de curto alcance e baixa potência, oferece conveniência e flexibilidade, além de permitir movimentar equipamentos, bem como a comunicação colaborativa entre indivíduos. Em 1994, a Ericsson passou a estudar a viabilidade de desenvolver uma tecnologia que permitisse a comunicação entre telefones celulares e acessórios utilizando sinais de rádio de baixo custo, em vez dos tradicionais cabos. O estudo resultou em um sistema de rádio de curto alcance que recebeu o nome MC-Link, que mais tarde veio a ser chamado de Bluetooth, derivado do nome do rei Harald Bluetooth, um viking do século X que uniu a Dinamarca e a Noruega. Operando na banda ISM de 2.4 GHz, o padrão Bluetooth visa unificar as tarefas de conectividade dos aparelhos dentro do espaço de trabalho pessoal de um indivíduo. A convergência entre a tecnologia Bluetooth e os sistemas digitais tem permitido o desenvolvimento de aplicações antes inviáveis. O projeto UNIBOT é uma plataforma de desenvolvimento de trabalhos de conclusão de curso ou de iniciação científica da UNISUL - Universidade do Sul de Santa Catarina dos cursos de ciências da computação, Sistemas de Informação e Engenharia Elétrica - Telemática. Estes projetos podem visar o desenvolvimento de sistemas de navegação autônoma, permitir a utilização de técnicas de inteligência artificial, assim como outras tecnologias e conhecimentos relacionados ou complementares àqueles estudados durante o curso de graduação (eletrônica, arquitetura de computadores, conceitos de automação e controle, etc) (UNIBOT, 2013).

14 MOTIVAÇÃO O mercado tecnológico vem, diariamente, introduzindo uma grande variedade de novas tecnologias, dentre essas, dispositivos móveis como celulares, tablets, etc. Estes aparelhos, também conhecidos com Gadget, estão cada vez mais populares, e hoje em dia o uso dessas novas tecnologias estão ao alcance da grande maioria da população, oferecendo funcionalidades avançadas que podem ser estendidas através de aplicativos que rodam sobre o seu Sistema Operacional (S.O). Podemos destacar como diferencial a alta capacidade de armazenamento, alto poder de processamento, conexão com redes de dados móveis, Wi-Fi, Bluetooth, trazendo praticidade na realização de muitas tarefas. A maioria dos smartphones comercializados atualmente rodam o sistema operacional Android, S.O de código aberto (open source), ou seja, qualquer pessoa pode desenvolver e compartilhar aplicativos gratuitamente para serem executado nos dispositivos que rodam essa tecnologia (ANDROID, 2013). 1.2 JUSTIFICATIVA Atualmente, o protótipo Unibot tem sua mobilidade bastante limitada, pois seu controle é realizado através de um joystick ligado fisicamente a um circuito eletrônico, que envia comandos aos motores que movem o protótipo. A tecnologia sem fio Bluetooth oferecerá uma maior mobilidade, permitindo ainda o uso da base existente com pequenas modificações, além de ser facilmente expandido para aplicações de automação residencial.

15 OBJETIVOS Objetivo Geral O trabalho propõe o desenvolvimento de um conjunto Hardware e Software que vai funcionar como controle através de um smartphone, utilizando um de seus recursos de comunicação sem fio, o Bluetooth. O gadget vai transmitir dados para o Arduino, o qual irá identificar os comandos através de uma API desenvolvida especificamente para atender as demandas, acionando um conjunto eletrônico formado por relés de contato seco, resistores, transistores e outros componentes que irão controlar os motores elétricos do Unibot e outro que irá controlar o motor de acionamento de portão Objetivos Específicos Os objetivos específicos do trabalho são: Desenvolver aplicativos de interface que funcionarão como controle a partir do sistema operacional Android, utilizando o construtor App Inventor. Desenvolver API s com funções básicas que permitam interpretação dos dados recebidos via Bluetooth e a partir dai execute comandos. Desenvolver hardware que servirá como módulo de controle dos motores de movimento do Unibot. Desenvolver hardware que permitirá automação residencial.

16 METODOLOGIA DA PESQUISA Para o desenvolvimento do referido trabalho adotou-se as metodologias de pesquisa aplicada e bibliográfica. Para tanto foi feito o uso de artigos, livros, sites de internet sobre tecnologias empregadas, material cedido por uma das orientadoras do curso de Engenharia Elétrica Telemática sobre padrões e normas a serem obedecidas, além da realização de estudo de caso do Unibot e do controle de portão de garagem. 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO No capítulo 2, é apresentada toda a fundamentação teórica, conceituando brevemente o que é a tecnologia de comunicação sem fio Bluetooth, o sistema operacional Android e o microcontrolador Arduino. No capitulo 3 a visão do desenvolvimento e resultados obtidos dos protótipos de sistemas microcontrolados com a utilização do Arduino e aplicativos desenvolvidos com o programa App Inventor. O capítulo 4 apresenta as conclusões e trabalhos futuros. 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 UNIBOT O projeto UNIBOT é uma plataforma de desenvolvimento de trabalhos de conclusão de curso ou de iniciação científica da UNISUL - Universidade do Sul de Santa Catarina dos cursos de ciências da computação, Sistemas de Informação e Engenharia Elétrica - Telemática. O Projeto de construção de um robô surgiu na universidade em 2000 pelas mãos

17 17 do Grupo de Pesquisa em Sistemas Computacionais, a partir da necessidade dos cursos de Ciência da Computação e de Sistemas de Informação de terem uma base para pesquisas na área de robótica, em função da grande curiosidade e interesse dos alunos. Estes projetos podem visar o desenvolvimento de sistemas de navegação autônoma, permitir a utilização de técnicas de inteligência artificial, assim como outras tecnologias e conhecimentos relacionados ou complementares àqueles estudados durante o curso de graduação (eletrônica, arquitetura de computadores, conceitos de automação e controle, etc) (UNIBOT, 2013). A estrutura do robô que pesa cerca de 42 kg pode ser visualizada conforme mostrada na figura abaixo. O robô tem o formato cilíndrico de 60 centímetros de diâmetro por 1,70 metros de altura, sua estrutura mecânica é composta basicamente de alumínio e acrílico. Alimentado a partir de bateria automotiva 12 Volts, seu funcionamento é baseado em quatro rodas, sendo duas do tipo caster, responsáveis pelo apoio em superfícies planas e duas motrizes, acionadas por motores elétricos DC de aproximadamente 35 W cada comandados por microcontrolador Arduino. O protótipo tem ainda um sistema de transmissão de sinal de áudio e vídeo, que no momento encontra-se desativado. Figura 1 Fotografia do Unibot Fonte:

18 ANDROID Android é um sistema operacional (S.O) com código aberto baseado no núcleo do Linux para dispositivos móveis como smartphones, tablets etc. A plataforma foi concebida inicialmente pelo Google, mas atualmente é mantida pelo Open Handset Alliance, um grupo formado por mais de 30 empresas dentre elas a Google, que colaboram para a evolução e disseminação desse sistema operacional que veio para revolucionar o mercado de dispositivos móveis. O Android atualmente está presente em mais de 190 países e mais de 900 milhões de dispositivos (ANDROID, 2013). O primeiro celular a executar o sistema Android foi o T-Mobile G1 (HTC Dream), fabricado pela Google, juntamente com a HTC, em 2008 (SIGNIFICADOS, 2013). Figura 2 Logotipo Android Tem como principais características: Fonte: Tem seu código totalmente aberto (open source). Roda em diferentes hardwares de diferentes fabricantes. Desenvolvido pela Google. Os aplicativos são desenvolvidos em Java. Oferece uma grande variedade de aplicativos, tanto gratuitos como pagos. Permite que qualquer interessado crie e distribua jogos e aplicativos gratuitamente ou não.

19 Android e o Bluetooth É possível utilizar as classes nativas no Android e suas funções para criar aplicativos que utilizem o Bluetooth. Aplicações Android que tem suporte ao Bluetooth podem descobrir e se conectar a dispositivos, estabelecer conexões ponto-a-ponto e pontomultiponto e utilizar conexões RFCOMM para transferir dados. A primeira versão do Android com suporte a Bluetooth foi anunciada em 2009 pela Google, este possuindo nome Eclair. A versão é a 2.0 e conta com suporte ao Bluetooth 2.1 (DEVMEDIA, 2013). 2.3 APP INVENTOR O sonho de todo usuário de smartphone é um aplicativo que faça exatamente o que ele quer. A realidade é bastante diferente. O usuário tem que se contentar com aplicativos desenvolvidos por terceiros, e muitas vezes programas específicos possuem apenas versões pagas nas lojas de apps dos desenvolvedores (TECMUNDO, 2013). O App Inventor é uma ferramenta de desenvolvimento de software, inicialmente desenvolvida pela Google e hoje mantida pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). Ele permite que qualquer pessoa familiarizada com programação crie aplicativos para o S.O. Android, permitindo que as pessoas, sejam também criadoras e não apenas consumidores. Com uma interface simples e fácil de usar, o programa foge das linhas de programação normal e possibilita até mesmo usuários comuns de lançarem seus aplicativos. Graças ao recurso drag and drop (em português, arrastar e soltar), a programação das aplicações acontece de forma simples e intuitiva. (TECMUNDO, 2013). O conjunto é composto por duas seções: o App Inventor Designer e o App Inventor Blocks Editor, cada uma com uma função específica.

20 App Inventor Designer O Designer é a tela inicial de um projeto. É nela que o desenvolvedor desenha seu aplicativo planejado, escolhendo a posição dos botões e imagens, inserindo fotos, droplists, checkboxes, funções e outros componentes disponíveis para a construção de um programa. A interface é dividida em quatro blocos, são eles Palette, Viewer, Components e Properties. Figura 3 App Inventor Designer Fonte: O autor Bloco Palette A primeira coluna, chamada de Palette (Paleta), é onde ficam todos os componentes utilizáveis num aplicativo. Esta paleta é dividida em seções para facilitar a localização dos componentes, que vão dos básicos (botões, imagens e textos) até uma seção exclusiva para integração com ferramentas de Lego Mindstorms (uma divisão daquela brincadeira de montar pecinhas que adiciona sensores, motores e processadores aos robôs construídos). Para utilizar um desses componentes basta clicar sobre ele e arrastar para cima da segunda coluna, chamada Viewer (Visualizador) (TECMUNDO, 2013).

21 21 Figura 4 Coluna Palette Fonte: O autor Bloco Viewer Na coluna Viewer, o usuário pode organizar cada um de seus objetos, montando o aplicativo como ele deve ser. Uma janela de exibição simula a tela de um smartphone com o sistema operacional Android, apresentando uma versão próxima da final ao programador, à medida que ele organiza o espaço de uso do programa. Todos os itens adicionados da Palette ao Viewer são apresentados na terceira coluna, chamada de Components (Componentes).

22 22 Figura 5 Coluna Viewer Fonte: O autor Na coluna Viewer o usuário pode organizar cada um dos objetos, montando o aplicativo como ele deve ser. Uma janela de exibição simula a tela de um smartphone com o sistema operacional Android, apresentando uma versão próxima da final ao programador, à medida que ele organiza o espaço de uso do programa (TECMUNDO, 2013) Bloco Components Na coluna de componentes, ficam armazenados todos os itens adicionados, sejam eles visíveis ou não na tela do programa. Dessa forma, fica muito mais simples selecionar cada objeto, pois eles estão listados de forma ordenada e acessível. Aqui também é possível alterar as propriedades de cada item utilizado em um projeto, como alterar os nomes dos componentes para nomes que façam sentido para o seu projeto, inserir arquivos de mídia pela terceira coluna. Clicando no botão Upload new (Adicionar novo) você importa sons, fotos e vídeos do seu computador para o servidor do App Inventor, e eles ficam disponíveis para que você possa usar no projeto (TECMUNDO, 2013).

23 23 Figura 6 Coluna Componens Fonte: O autor Bloco Properties É nessa coluna que se podem definir os tamanhos e conteúdos dos textos de botões e caixas de informação, tamanho das imagens, cores de fundo e largura e altura de objetos. Uma vez alteradas as configurações, elas são aplicadas instantaneamente na tela da coluna Viewer, permitindo que você veja em tempo real uma ótima ideia de onde e o que está mudando em seu programa. Uma vez que o programa esteja parcialmente montado, atribui-se funções a cada um dos componentes selecionados. Para isso é preciso clicar no botão Open Blocks Editor.

24 24 Figura 7 Coluna Properties Fonte: O autor App Inventor Blocks Editor Além do Designer, o App Inventor fornece o Editor de Blocos, uma segunda janela de desenvolvimento. O Editor de Blocos é o lugar onde você vai montar em blocos componentes necessários para realizar tarefas específicas, que juntos formarão a funcionalidade geral do seu aplicativo. (INFORMIT, 2013). Para utilizar o Editor de Blocos é necessário configurar e instalar alguns aplicativos. O primeiro é o Java que pode ser testado com o link de testes do App Inventor. Depois de executado o teste, é necessário instalar o aplicativo de desenvolvimento do App Inventor. Disponível para Windows, Mac OS X e GNU/Linux com instruções de instalação. Após configurar o computador, pode-se começar a programação. Acessando o Blocks Editor é só associar as ações para cada item do programa. Usando uma interface simples e intuitiva, a construção do aplicativo parece muito com montar um quebra-cabeça. (TECMUNDO, 2013).

25 BLUETOOTH Bluetooth é uma tecnologia sem fio usada para conectar e transmitir dados entre dispositivos em rede pessoais chamadas de Personal Area Networks (PANs). Com velocidades de transmissão que podem se aproximar de 24 Mb/s, o bluetooth é um padrão global de comunicação, opera em curta distância, com baixo consumo de energia. O padrão permite a transmissão de dados entre dispositivos como: computadores, smartphones, tablets, mouses, teclados, fones de ouvido, impressoras e outros acessórios. A ideia consiste em possibilitar que dispositivos se interliguem de maneira rápida, descomplicada e sem uso de cabos, bastando que um esteja próximo do outro. (INFOWESTER, 2013). A história do Bluetooth começa em meados de 1994, quando a companhia sueca de telecomunicações Telefonaktiebolaget LM Ericsson (doravante Ericsson) passou a estudar a viabilidade de desenvolver uma tecnologia que permitisse a comunicação entre telefones celulares e acessórios utilizando sinais de rádio de baixo custo, em vez dos tradicionais cabos. O estudo resultou em um sistema de rádio de curto alcance que recebeu o nome MC-Link. Pouco tempo depois, o projeto foi batizado de Bluetooth. Já em 1997, o projeto começou a despertar o interesse de outras empresas como Intel, IBM, Toshiba e Nokia, que logo passaram a fornecer apoio. Em 1998, foi criado o consórcio Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group), formado pelas companhias citadas. Hoje, são mais de 1300 empresas desenvolvendo dispositivos que embarcam a tecnologia. Em 1999, foi criada a primeira versão do protocolo Bluetooth. Já em 2000, outras empresas se juntaram ao grupo SIG: a 3Com, Agere (Lucent Technologies), Microsoft e Motorola. Desde março de 2002, o grupo de trabalho IEEE aprovou sem grandes alterações e tornou o Bluetooth versão 1.2 um padrão oficial, o IEEE O nome Bluetooth foi uma homenagem a um rei dinamarquês chamado Harald Blåtand, também conhecido como Harald Bluetooth (Haroldo Dente-Azul). Um dos seus grandes feitos foi a unificação da Dinamarca, e, como alusão e este fato, o nome Bluetooth foi escolhido. Logo, uma tecnologia que unificasse os mais variados dispositivos das diversas empresas.

26 26 O desenho na marca Bluetooth, é a reunião de dois símbolos nórdicos que correspondem às iniciais de Harald. Figura 8 Logotipo Bluetooth Fonte: Espectro e interferência As Redes operam na faixa de rádio não licenciada chamada de ISM (Industrial Scientific Medical) de 2.4GHz ( ,5 MHz). A banda ISM está disponível e não licenciada na maioria dos países (RAPPAPORT, 2009, p.37). O Bluetooth utiliza ainda uma tecnologia chamada Adaptive Frequency Hopping (AFH), projetada para reduzir a interferência entre as tecnologias sem fio que compartilham o espectro de 2,4 GHz. A AFH trabalha dentro do espectro de modo a aproveitar toda a faixa de frequência disponível, detectando outros dispositivos que se utilizam do mesmo espectro, assim evitando as frequências que estão sendo utilizadas. O espectro é dividido em 79 canais com intervalos de 1 MHz, conferindo um grau elevado de imunidade à interferência e também permitindo uma maior eficiência de transmissão dentro do espectro. (BLUETOOTH, 2013) Classes e Alcance Para que seja possível estabelecer um enlace de comunicação entre dois dispositivos, é necessária uma combinação entre hardware e software, que através de radiofrequência, seja possível a identificação de um ao outro, independente das suas posições, respeitando o limite de menor proximidade necessária, conforme a classe do dispositivo utilizado.

27 27 Tabela 1 Classes de energia, potências de transmissão e alcance dos transmissores em área aberta. Classe de energia Potência máxima Alcance Classe 1 100mW (20dBm) 100 metros Classe 2 2,5 mw (4dBm) 10 metros Classe 3 1mW (0dBm) 1 metro Fonte: Um dispositivo de classe 3, por exemplo, pode se comunicar com outro dispositivo de classe 1, desde que seja respeitado o menor alcance, neste caso de 1 metro da classe 3, ou seja, vale a regra da menor distância. Pode parecer pouco, mas é o suficiente para conectar um celular no bolso da calça a um fone de ouvido Versões do protocolo As principais versões do Bluetooth até o momento são: Bluetooth 1.0 Justamente por se tratar da primeira experiência, havia vários problemas que dificultavam a sua implementação e a interoperabilidade entre dispositivos com esta tecnologia, que ainda era restrita a alguns modelos e marcas de celulares. Logo em seguida foi lançada a versão 1.0B para solucionar alguns problemas. (INFOWESTER, 2013). Bluetooth 1.1 Lançada oficialmente em meados de fevereiro de 2001, esta versão representa o estabelecimento do Bluetooth como um padrão IEEE Nessa versão, muitos problemas encontrados nas versões anteriores foram solucionados. (INFOWESTER, 2013).

28 28 Bluetooth 1.2 Lançada em novembro de 2003, a versão oferecia conexões mais rápidas, melhor proteção contra interferências, suporte aperfeiçoado a scatternets e processamento de voz mais avançado. (INFOWESTER, 2013). Bluetooth 2.0 Lançada em novembro de 2004, trouxe importantes aperfeiçoamentos à tecnologia, como aumento na velocidade de transmissão de dados para 3 Mbps (2.1 Mbps efetivos), correção de falhas existentes na versão anterior e melhor comunicação entre os dispositivos. O suporte para áudio foi criado, possibilitando assim ouvir música estérea via fones Bluetooth. (INFOWESTER, 2013). Bluetooth 2.1 Lançada em meados de agosto de 2007, tem como principais destaques o acréscimo de mais informações nos sinais Inquiry (permitindo uma seleção melhorada dos dispositivos antes de estabelecer uma conexão), melhorias nos procedimentos de segurança (inclusive nos recursos de criptografia) e melhor gerenciamento do consumo de energia. (INFOWESTER, 2013). Bluetooth 3.0 Versão lançada em abril de 2009, tem como principais atrativos o aumento nas taxas de velocidade de transferência de dados (podendo atingir a marca de 24 Mbps de transferência) e o controle mais inteligente do gasto de energia exigido para as conexões. (INFOWESTER, 2013). Bluetooth 4.0 Essa é a ultima versão disponível do protocolo, lançada no final de 2009, foi desenvolvida com foco no consumo de energia inteligente, economizando mais energia durante o uso. (INFOWESTER, 2013).

29 Modulação e comunicação Dois tipos de comunicação são possíveis: Synchronous Connection Oriented (SCO), ou Asynchronous Connection Less (ACL). Os canais SCO são usados para transferência de voz por reserva de vagas, elas são simétricas entre o mestre e um escravo, ou seja, ponto a ponto. Normalmente utilizado para transmissão de dados contínuos, como de voz ou mistos (voz + dados). O canal ACL fornece um acesso assíncrono entre mestre e escravo e tira proveito dos slots não usados pelas conexões síncronas para transmissão dos dados. É considerada uma conexão de chaveamento por pacotes. Ao contrário do SCO, o ACL permite o reenvio de pacotes de dados perdidos. É utilizado por aplicações que precisam garantir a integridade dos dados como a transferência de arquivos. Para transformar bits em sinais, o Bluetooth usa uma versão sofisticada do Frequency-Shift Keying (FSK), denominada Gaussian Frequency-Shift Keying (GFSK) Arquitetura O padrão Bluetooth define dois tipos de rede: piconets e scatternet Piconets Uma rede Bluetooth é denominada piconet ou uma pequena rede. Ela pode ter até oito estações, uma delas é chamada de primaria, as demais são chamadas secundarias. Todas as estações secundárias sincronizam seus clocks e sequências de saltos com a primária. Em uma piconet, podemos ter apenas uma estação primaria. A comunicação entre a primária e secundarias pode ser ponto a ponto ou multiponto. (FOROUZAN, 2008, p.435).

30 Scatternet Redes piconets podem ser combinadas para formar o que é chamado scatternet. Uma estação secundária de uma piconet pode ser a primaria de outra piconet. Essa estação pode receber mensagens da estação primaria da primeira piconet (no qual atua como secundaria) e, atuando como primaria, pode enviar mensagens para as secundarias da segunda piconet. Uma estação pode pertencer a duas piconets. (FOROUZAN, 2008, p.435). Figura 9 Topologias Fonte: Controle de acesso e segurança O protocolo Bluetooth permite ao mesmo tempo, a autenticação e criptografia de uma comunicação. A segurança é feita pelas subcamadas do protocolo Bluetooth. Um primeiro nível de segurança é garantido pelo fato de que cada módulo Bluetooth possui um único endereço MAC, que é uma das subcamadas da camada de enlace da arquitetura OSI. No Bluetooth, o MAC é dividido em duas partes principais: O protocolo de gerência de enlace, Link Manager Protocol (LMP), e o protocolo de controle e adaptação de enlace lógico, chamado Logical Control and Adaptation Protocol (L2CAP). (BLUETOOTH, 2013). O Link Manager Protocol (LMP) negocia todos os aspectos da operação de conexão do Bluetooth entre dois dispositivos. Isso inclui o set-up e controle de transportes lógicos e ligações lógicas, e para o controle de ligações físicas. O Protocolo Link Manager é

31 31 usado para a comunicação entre os gerentes de link (LM) sobre os dois dispositivos ligados pelo transporte lógico ACL. O protocolo LMP nada mais é do que um software que roda no microprocessador do dispositivo Bluetooth e permite gerenciar a comunicação entre os dispositivos. No momento que dois dispositivos Bluetooth ficam próximos, o LMP de cada um deles descobre um ao outro, estabelecendo assim uma comunicação pontual com mensagens que são trocadas através do LMP. Essas mensagens têm a função de configurar e controlar enlaces, o transporte lógico e controlar enlaces físicos. A configuração inclui mecanismos de segurança, como autenticação e criptografia. (BLUETOOTH, 2013). O Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) suporta a multiplexação de protocolos de nível superior e os processos de segmentação e remontagem de pacotes, além de informações sobre QoS. Ele permite transmitir e receber pacotes de dados das camadas superiores com até 64 kb de comprimento, A camada fornece canais lógicos que mapeiam ligações lógicas apoiados por um transporte lógico ACL. (BLUETOOTH, 2013). Figura 10 Pilha de protocolos Fonte: O protocolo RFCOMM Bluetooth é um simples conjunto de protocolos de transporte, sobre o protocolo L2CAP, baseado na norma ETSI TS O protocolo RFCOMM suporta até 60 conexões simultâneas (canais RFCOMM) entre dois dispositivos Bluetooth. Para os propósitos do RFCOMM, um caminho completo de comunicação envolve duas aplicações rodando em dispositivos diferentes (as pontas da comunicação), com um segmento de comunicação entre eles. O RFCOMM é planejado para cobrir aplicações que

32 32 utilizem as portas seriais dos dispositivos em que residem. O segmento de comunicação é uma ligação Bluetooth de um dispositivo para outro (conexão direta). 2.5 ARDUINO O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica open-source baseado em hardware e software, seu ambiente de desenvolvimento implementa a linguagem Processing/Wiring. Ele pode ser utilizado para desenvolver objetos interativos, tendo entradas a partir de uma variedade de sensores ou interruptores, pode controlar uma variedade de dispositivos, como luzes, motores e etc. O ambiente de desenvolvimento chamado de IDE (Integrated Development Environment) pode ser baixado gratuitamente, é multiplataforma é pode ser executado em Windows, Macintosh OS e sistemas operacionais Linux. É destinado a qualquer pessoa interessada em criar objetos ou ambientes interativos Especificação do hardware O Arduino apresenta várias versões de hardware com diferentes preços e aplicações. A sua descrição vai ser feita para a versão UNO, utilizada neste trabalho. O modelo de referência pode usar um Arduino Atmega8, 168, ou 328; os modelos atuais usam um ATmega328. A configuração dos pinos é idêntica em todos os três processadores.

33 33 Tabela 2 Especificação do hardware Características Descrição Microcontrolador Atmega328 Tensão de funcionamento 5V Tensão de entrada (recomentado) 7-12V Tensão de entrada (limites) 6-20V Pinos digitais de I/O 14 (dos quais 6 oferecem saída PWM) Pinos de entrada analógica 6 Corrente máxima por pino de E/S 40mA Corrente máxima no pino de 3.3V 50mA Memória Flash 32 KB SRAM 2 KB EEPROM 1 KB Velocidade de Clock 16 MHz Fonte: O Arduino pode ser facilmente encontrado no mercado a um preço bastante acessível, mas ainda sim pode ser montada artesanalmente já que é baseado no microcontrolador Atmega328. O esquema é disponibilizado no site oficial do Arduino. Para utilizar o UNO, basta conectá-lo a um computador com um cabo USB ou ligá-lo com uma fonte DC ou mesmo em uma bateria. Figura 11 Versão Uno Fonte:

34 Programação O Arduino Uno pode ser programado com a IDE (Integrated Development Environment) oferecido no site oficial, pois permite o envio de códigos sem o uso de um programador de hardware externo, ainda há outras formas de programá-lo. O Arduino IDE é uma aplicação multiplataforma escrita em Java, derivada dos projetos Processing e Wiring. É esquematizado para introduzir a programação a pessoas não familiarizadas com o desenvolvimento de software. Inclui um editor de código com recursos de realce de sintaxe, parênteses correspondentes e formatação automática, sendo capaz de compilar e carregar programas para a placa com um único clique. Com isso, não há a necessidade de editar Makefiles ou rodar programas em ambientes de linha de comando. Figura 12 IDE Arduino Fonte: O autor

35 Shield Bluetooth Os Shilds (em português, escudo, reparo, placa de defesa) são placas utilizadas para aumentar a funcionalidade do hardware, a maioria das versões do Arduino aceitam ser expandido através de Shields, que são integrados através das portas de entrada e saida da placa. No mercado, existe uma infinidade de modelos prontos, entre elas pode-se destacar as Shields para acionamento de motores, LCD, protoboard, microsd, MP3, relé, celular e GPS, pode-se ainda fabricar outros Shields para ser utilizado com o microcontrolador. Nos protótipos em especial foi utilizado um Shield Bluetooth que oferece uma interface simples para se conectar ao Arduino. Figura 13 Shild Bluetooth Fonte: Essa versão de Bluetooth Shield vem de série com um módulo Bluetooth no modo (slave) e conecta-se diretamente com o Arduino utilizando a porta UART pelos pinos de TX e RX da placa. Existem outras versões de Shield Bluetooth para operar como mestre. Tabela 3 Especificação do módulo Bluetooth Característica Especificação Frequência 2.4GHz banda ISM Modulação GFSK Potência de transmissão <= 4dBm, classe 2 Sensibilidade <= -84dBm Velocidade Assincrona: 2.1Mbps(Max)/160Kbps Sincrona: 1Mbps/1Mbps Tensão 3.3 ( V) Fonte:

36 36 3 DESENVOLVIMENTO Nesta seção, serão apresentados os recursos utilizados e as etapas para o desenvolvimento dos protótipos O funcionamento O diagrama abaixo apresenta o modelo de controle esperado, constituído por Smartphone, rede sem fio Bluetooth, o Arduino com a Shield Bluetooth, placa de acionamento (relés) e o objeto a ser controlado, nesse caso, Unibot ou o portão de garagem. Figura 14 Diagrama Fonte: O autor A comunicação entre o smartphone e o conjunto microcontrolador se dá por meio sem fio, onde são enviados comandos que serão recebidos pelo módulo Bluetooth e interpretados pelo microcontrolador. Após o recebimento e identificação, o Arduino envia comandos para uma placa de relés que irá controlar a saída, Unibot ou portão. Após abrir o aplicativo, o usuário deve selecionar o dispositivo que deseja parear com o smartphone. Depois de estabelecido o laço de comunicação (chamado de pareamento, emparelhamento) já é possível enviar comandos para o dispositivo a ser comandado.

37 Aplicativo para Smartphone Nessa seção é descrito de forma sucinta como o aplicativo foi construído por meio do App Inventor. A construção do software, como já vimos, é feita em duas etapas. A primeira de forma gráfica utilizando o App Inventor Designer, onde os componentes necessários são arrastados do bloco Palette para o bloco Viewer. No segundo momento, por meio do App Inventor Blocks Editor, são inseridos os componentes lógicos, ou seja, o que o aplicativo deve fazer quando os componentes adicionados no Designer forem acionados Criando novo projeto O primeiro passo foi acessar a pagina Web do App Inventor, lembrando que é necessário ter uma conta Google. Após o login, foi dado início ao processo de criação dos projetos por meio do botão New. Figura 15 Tela Inicial App Inventor Fonte: O autor 1. Na janela que se abre, é informado o nome do aplicativo, em seguida clicar em OK.

38 38 Figura 16 Inserindo novo projeto Fonte: O autor Programação visual Após realizar os passos da seção anterior, será apresentada a tela principal conforme figura abaixo, onde são apresentados os blocos necessários para programar a interface da aplicação. Figura 17 Tela principal Fonte: O autor Após arrastar os componentes do bloco Palette para o bloco Viewer, eles devem ser selecionados no bloco Components e editados no bloco Properties.

39 39 Figura 18 Exemplo edição de componente Fonte: O autor Programação em blocos Depois de programada a interface, é necessário programar os blocos de comandos, ou seja, dar funcionalidade ao aplicativo, através do botão Open the Blocks Editor. Figura 19 Acesso à tela Blocks Editor Fonte: O autor Assim como no bloco designer, o bloco editor funciona de forma intuitiva, selecionando e arrastando os componentes.

40 40 Figura 20 Tela principal Blocks Editor Fonte: O autor O aplicativo pode ser testado de duas formas, utilizando o emulador do próprio aplicativo, ou por meio de um dispositivo com S.O Android. Neste caso especificamente, o uso de um dispositivo físico foi necessário, pois o emulador do App Inventor não emula interface Bluetooth. As figuras 21 e 22 mostram como ficou a interface dos aplicativos. Figura 21 Interface do Aplicativo Unibot Fonte: O autor

41 41 Figura 22 Interface do Aplicativo para portão Fonte: O autor Firmware Arduino Os códigos foram desenvolvidos com a IDE do Arduino, mas poderiam ainda ter sido construídos por meio de outras IDE s, como: Eclipse, Netbeans, Dev C++, pois a linguagem de programação é baseada em C. Abaixo um exemplo básico, os códigos do Unibot e portão da garagem apresentam particularidades.

42 42 /* Exemplo de código simples Autor: Jean Carlo Vargas Garcia. */ int valor; int r1 (10); int r2 (11); int tempo = 300; void setup() { Serial.begin(9600);// abre porta serial, define bitrateem 9600 bps pinmode (10,OUTPUT); pinmode (11,OUTPUT); } void loop() { if(serial.available() > 0) { // se tiver dados no buffer da serial, armazena o valor na variavel "valor" valor = Serial.read(); if (valor == 'F'){ digitalwrite(r1, HIGH); digitalwrite(r2, HIGH); delay(tempo); digitalwrite(r1, LOW); digitalwrite(r2, LOW); } } Firmware Unibot e portão da Garagem Baseado no código básico (ver seção 3.1.3), foram criadas e embarcadas as firmware s nos microcontroladores. A identificação do caractere se dá após o recebimento pela porta serial, sendo que após isso, o caractere é comparado, e caso identificado, uma ação de controle é executada pelo Arduino. Nas tabelas abaixo são mostrados os caracteres definidos nas firmware s e suas ações de comando.

43 43 Tabela 4 Caracteres utilizados no Firmware embarcado no microcontrolador do Unibot. Caractere Ação executada F Movimenta o Unibot para frente R Movimenta o Unibot para traz (ré) E Movimenta o Unibot para Esquerda (gira para esquerda) D Movimenta o Unibot para Direita (gira para direita) L Envia comando para ligar/desligar lanterna Fonte: O autor O comando do portão se resume em um único caractere, o circuito eletrônico original tem uma entrada chamada de botoeira, essa porta permite disparar comando de abre e fecha, o disparo é realizado a partir de um interruptor de contato seco. Na aplicação montada é utilizado um relé para efetuar o disparo. Tabela 5 Caractere utilizado no Firmware embarcado no microcontrolador do portão. Caractere Ação executada F 1 - Abre e fecha o portão. Fonte: O autor Placas de controle Placa Unibot Conforme visto na seção 2.4.3, o Arduino permite expansão através de Shields, que podem ser adquiridos prontos, ou serem construídos artesanalmente. Para o Unibot, foi construída uma placa de controle, que é constituída de relés, transistores, resistores, capacitores, etc. Para criação do circuito elétrico foi utilizado à ferramenta de software Proteus, que permitiu criar o esquema elétrico, desenhar o circuito impresso (PCI) e simulá-lo.

44 44 Figura 23 Esquema elétrico da placa de controle do Unibot criado no software Proteus Fonte: O autor A placa foi criada para controlar os motores que movimentam o protótipo e para ligar e desligar uma lanterna que será instalada futuramente. Durante os testes do protótipo, verificou-se que os motores injetavam muito ruído no circuito elétrico, como a fonte de alimentação elétrica do microcontrolador é a mesma dos motores, isso provocava o travamento do Arduino, deixando de funcionar corretamente. Como solução foi adicionado ao circuito um regulador de tensão 7812, devido à configuração de instalação do componente foi adicionado dois capacitores, que operam como filtros, assim solucionando o problema. Figura 24 Protótipo placa Unibot, visão 3D Fonte: O autor

45 45 Após os testes de funcionamento com a placa genérica ser realizado com sucesso, foi fabricada uma PCI para o protótipo Unibot. Para confecção da placa foi utilizado o método de termo transferência, onde o circuito elétrico é impresso em papel Glossy fotográfico ou compatível, e transferido para uma PCI de fenolite de face simples. Ao aquecer o papel em contato com a placa, a impressão se adere ao cobre, durante a corrosão do cobre que é feito através de reação química utilizando percloreto de ferro somente as partes onde não existe impressão é corroída. Figura 25 Placa após montada e instalada no Unibot Fonte: O autor Placa portão. Para o portão de garagem foi adquirido um módulo pronto, neste caso era preciso uma Shield com apenas um relé para controlar a abertura e o fechamento do portão, porém, foi adquirido um módulo com dois relés, possibilitando expandir funcionalidades, como por exemplo o acionamento das lâmpadas de iluminação da garagem. Na figura abaixo podemos ver as placas utilizadas (microcontrolador, módulo bluetooth e módulo de relés) que foram acomodadas dentro de uma caixa plástica.

46 46 Figura 26 Protótipo portão de garagem Fonte: O autor Conforme podemos ver na figura abaixo, o protótipo foi montado em uma pequena caixa plastica, visando ter acesso mais fácil ao conjunto em caso de manutenção, e também para obter mair alcance de transmissão. Figura 27 Protótipo portão de garagem instalado Fonte: O autor O protótipo é alimentado por uma fonte externa de 9 Volts, que fica alocada sob a base do sistema mecânico e protegida pela carenagem do conjunto. Sai do protótipo um par de fio que é ligado na porta do sistema original, chamada de botoeira. Quando o protótipo recebe o comando para acionar, ele muda o estado do relé de aberto para fechado durante 200 ms e volta a ficar aberto, ou seja, age como um interruptor.

47 47 4 CONCLUSÔES E TRABALHOS FUTUROS Procurou-se com este trabalho a concepção teórica e pratica de um sistema de controle utilizando rádio frequência, diante do cenário estabelecido mediante a necessidade de ganhar maior mobilidade, foram utilizadas as tecnologias Android, Arduino e bluetooth, contemplando hardware e software. Para isso inicialmente se fez um estudo sobre as tecnologias empregadas, do sistema de controle do portão de garagem e do Unibot, as tecnologias se mostraram ser muito flexíveis, já que não foi encontrado nenhum obstáculo entre idealização e resultado final do projeto. Como citado anteriormente, o trabalho contempla hardware e software, então o desenvolvimento do trabalho foi concentrado no desenvolvimento de aplicativos de software específicos a cada um dos protótipos, de firmwares, além da confecção de circuito eletronico para controle do Unibot. Para o desenvolvimento dos softwares para o smartphone foi utilizado a ferramenta de desenvolvimento lançada pela Google, e hoje mantida pela MIT App Inventor, os aplicativos permitiram o controle planejado do sistema. Outra etapa importante foi o desenvolvimento do hardware para controle do Unibot. Com este controle foi possível movimentar o protótipo em todas as direções com um alcance bastante satisfatório. Como trabalho futuro, sugere-se, o aperfeiçoamento do sistema de controle dos motores, utilizando as portas PWM do microcontrolador, com esta melhoria será evitado solavancos durante arranque e parada do protótipo além de um controle de movimentos ainda mais assertivo. Estuda-se também a possibilidade de adicionar um sintetizador de voz no Unibot, isso permitirá cumprir aquilo que um dia já foi objetivo a ser alcançado com o protótipo, que é ser capaz de atuar como um robô recepcionista do campus.

48 48 REFERÊNCIAS ANDROID. Por que o Android. Disponível em: < Acesso em 05 out ARDUINO. Arduino. Disponível em: < Acesso em 05 nov BLUETOOTH. Bluetooth. Disponível em: < Acesso em 05 nov DEVMEDIA. Android e Bluetooth. Disponível em: < Acesso em 06 out FOROUZAN, Behrouz A. Comunicação de Dados e Redes de Computadores. São Paulo: Mcgraw-hill Interamericana, GPSC. Projeto Unibot. Disponível em: < > Acesso em 04 dez INFORMIT. App Inventor. Disponível em: < Acesso em 02 nov INFOWESTER. Tecnologia Bluetooth. Disponível em: < > Acesso em 05 out KUROSE, James F.; ROSS, Keith W. Redes de Computadores e a Internet. São Paulo: Pearson, MURTHY, C. Siva Ram; MANOJ, B.S. Ad Hoc Wireless Networks / Architectures and Protocols. New Jersey, NOKIA. Bluetooth Protocol. Disponível em: < Acesso em 02 nov RAPPAPORT, Theodore S. Comunicações sem fio. São Paulo: Pearson, SIGNIFICADO. O que é Android. Disponível em: < Acesso em 05 out TECMUNDO. Google App Inventor. Disponível em: < Acesso em 12 out

49 49 TECHTUDO. Google App Inventor. Disponível em: < Acesso em 12 out UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA. Pró-Reitoria Acadêmica. Programa de Bibliotecas. Trabalhos acadêmicos na Unisul: apresentação grá ca para TCC, monogra a, dissertação e tese. Cristiane Salvan Machado et. al. (Org). 2. ed. rev. e ampl. Tubarão : Ed. Unisul, 2008.