TÍTULO: DESENVOLVIMENTO DE UMA JANELA INTELIGENTE ACIONADA ATRAVÉS DE SENSORES OU DISPOSITIVO CELULAR

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1 TÍTULO: DESENVOLVIMENTO DE UMA JANELA INTELIGENTE ACIONADA ATRAVÉS DE SENSORES OU DISPOSITIVO CELULAR CATEGORIA: CONCLUÍDO ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA SUBÁREA: ENGENHARIAS INSTITUIÇÃO: UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA AUTOR(ES): MATHEUS PILON DE MORAES ORIENTADOR(ES): LUÍS FERNANDO POMPEO FERRARA, RAQUEL GALHARDO DE CARVALHO LOPES, SABRINA DE CASSIA MARTINEZ COLABORADOR(ES): CARLOS ALBERTO AMARAL MOINO, FABIANE HIGA FAGUNDES, GRUPO DE PESQUISA EM ENGENHARIA APLICADA, IRINEU DA PENHA RESSUIREIÇÃO, NÚCLEO DE PESQUISA EM ELETRÔNICA, SÉRGIO GIANGIULIO

2 1. RESUMO No decorrer dos anos a automação vem cada vez mais ganhando espaço nas tarefas do dia-a-dia. Antes da década de 80 esse era só um privilégio das indústrias, porém com o avanço tecnológico essa facilidade foi estendida aos nossos lares, fornecendo não apenas conforto, mas também melhorando a qualidade de vida. Com o intuito de auxiliar pessoas que possuem alguma limitação da mobilidade, será desenvolvido nesse projeto um protótipo para automatização da abertura e fechamento das janelas residenciais. Para a implementação da automação foi construído um protótipo de janela e em sua base foram acoplados dois motores de passo 28BYJ-48 com driver de controle ULN2003. Também foi instalado sensor de chuva YL-83, um display LCD, para exibir o status da janela, um microcontrolador ATmega 328, que realiza o processamento das informações e um módulo Bluetooth RS232, utilizado para realizar a conexão com o celular. A automação contará com dois tipos de acionamento, um pelo aplicativo instalado no aparelho celular e outro pelo do painel de controle com um botão, ambos possuem a mesma funcionalidade abrir e fechar a janela sem esforço físico. O aplicativo para utilização no celular foi desenvolvido na plataforma MIT APP Inventor, que é compatível com sistemas Android. No desenvolvimento do código do microcontrolador para executar as rotinas que conciliasse o aplicativo, o painel de controle e o sensor de chuva, surgiram diversos problemas, porém foram solucionados com o estudo e aperfeiçoamento da lógica de programação. Os testes realizados tanto com o aplicativo como com o painel de controle foram considerados satisfatórios, atendendo o objetivo proposto. Melhorias como a adição de um módulo para programar a abertura e fechamento da janela com o horário estipulado poderia ser acrescentado sem muitas alterações. 2. INTRODUÇÃO Devido à necessidade do homem de produzir cada vez mais em um tempo menor, os primeiros sistemas de automação dos processos começaram a ser implantados a partir do século X, com a instalação de moinhos hidráulicos para fornecimento de farinha. Estes moinhos aceleraram a produção e diminuíram

3 significativamente o trabalho braçal na época, dando início aos processos de automação (GOEKING, 2010). Com o desenvolvimento tecnológico foi possível, no decorrer dos anos, a implementação da automação na fabricação de produtos, e, assim, as indústrias desenvolveram sistemas de automação dos processos que visavam diminuir o tempo de produção e, com certeza, reduzir o custo de fabricação (PESSÔA; SPINOLA, 2014). No decorrer dos anos alguns modelos de automação foram desenvolvidos visando à melhoria da realização de algumas atividades, tais como a automação industrial, a automação comercial e a automação residencial. Em meados da década de 80 surgiu a ideia de automação predial e residencial, sendo que algumas empresas foram pioneiras deste conceito, dentre elas a Leviton e X-10, ao contribuírem para o desenvolvimento e crescimento dos sistemas de automação residenciais e prediais (BOLZANI, 2004). Com o decorrer do tempo e com o desenvolvimento tecnológico, surgiram sistemas de automação que realizaram inúmeras funções dentro de uma residência, por exemplo: abertura e fechamento dos portões da garagem, acionamento de eletrodomésticos, monitoramento da residência (sistemas de segurança integrados), controle de acesso, entre outros (BOLZANI, 2004). Um sistema de automação residencial pode fornecer ao morador de uma casa alguns confortos para melhorar a qualidade de vida, como os sistemas que monitoram as residências evitando a ocorrência de acidentes ou roubos e que também acionam o corpo de bombeiros ou a polícia, reduzindo o tempo de solução da ocorrência, além de propiciarem a economia de energia elétrica, desligando componentes que não estão sendo utilizados, como nos casos dos aparelhos de climatização do ambiente (BOLZANI, 2004). Outra importante contribuição da automação residencial é permitir que pessoas com algum tipo de limitação física realizem tarefas que antes eram impossíveis ou geravam muitos transtornos, como exemplo, a chuva pode ocorrer de forma inesperada, e, um sistema que detecte a presença deste fenômeno climático e automaticamente feche todas as janelas da residência pode garantir a esta pessoa a comodidade de não ter que fechar as janelas de forma rápida, o que muitas vezes é inconveniente.

4 3. OBJETIVOS O objetivo do projeto é o desenvolvimento de um protótipo para automatização da abertura e fechamento das janelas residenciais, possibilitando um maior conforto e auxílio aos moradores, principalmente os que possuem algum tipo de limitação física. Dessa forma, pretende-se contribuir com uma melhor qualidade de vida, uma vez que a automação das janelas residenciais permite o controle à distância ou automático nas diversas situações. A realização do projeto proporcionará também o desenvolvimento de novas tecnologias referentes à automação residencial, contribuindo com as literaturas existentes. 4. METODOLOGIA Para a realização do processo de automação será confeccionado um protótipo em escala da janela onde estarão dispostos todos os elementos responsáveis pelo funcionamento, sendo que as abas da janela serão móveis garantindo a abertura e fechamento com o movimento de rotação destas. Na automação serão utilizados os seguintes componentes: motores de passo 28BYJ-48 com driver de controle ULN2003, sensor de chuva YL-83, tela LCD (Liquid Crystal Display) 16x2, módulo Bluetooth RS232 HC-05 e microcontrolador ATmega328. Os motores de passo serão instalados na base da janela e posicionados nas extremidades das abas, durante o acionamento dos motores, o movimento de rotação proporcionará a abertura e fechamento da janela. O sensor de chuva será o responsável por identificar a presença de gotículas de água ao redor da janela, e, ao reconhecer esta condição, a informação será enviada ao microcontrolador, o sensor estará fixado na parte superior da estrutura do protótipo. A instalação do display permitirá que o usuário acompanhe o estado de funcionamento do sistema, no caso se ela está aberta ou fechada e por qual motivo, como, por exemplo, se a janela está fechada por conta da presença de chuva.

5 O sistema de acionamento à distância será composto por um módulo que permite a abertura e fechamento da janela via conexão Bluetooth de smartphones, para tanto será necessário a instalação do aplicativo Window Tech, desenvolvido na plataforma MIT (Massachusetts Institute of Technology) App Inventor 2, disponível gratuitamente para download e compatível com sistemas Android. Para facilitar a operação e apresentação das informações de funcionamento, o sistema conterá um painel e nele estarão dispostos a tela de LCD e o botão de emergência, cujo acionamento deste permitirá que o usuário abra e feche a janela, sem necessariamente ter a presença de chuva no ambiente. Por fim, todos os componentes citados serão conectados no microcontrolador Atmega328P disponibilizado na plataforma Arduino UNO R3, este componente será o responsável por receber os sinais enviados pelo sensor de chuva e pelo módulo Bluetooth, e ao mesmo tempo enviará sinais para o acionamento dos motores de passo e atualização das informações mostradas no display. 5. DESENVOLVIMENTO Como forma de verificar o funcionamento dos componentes, foi elaborado um protótipo da janela conforme figura 1. A janela reproduzida opera com duas abas fabricadas com placas de isopor na dimensão (145 x 210) mm. Os motores de passo responsáveis pelo movimento de abertura e fechamento das abas foram fixados na parte inferior das placas e na moldura da janela. Figura 1 - Protótipo de funcionamento (AUTORES, 2017).

6 A moldura do protótipo foi fabricada em madeira e possui a dimensão (360 x 270) mm nela foram fixados os motores de passo e o sensor de chuva na parte superior, a tela de LCD e os módulos dos motores de passo e do Bluetooth estão dispostos na bancada de teste, na apresentação final do projeto será desenvolvido um painel de operação para fixar estes itens. Para gerenciamento dos sensores e atuadores deste projeto foi utilizado um microcontrolador Atmega328P, fabricado pela Atmel, na plataforma Arduino, este elemento é responsável pela programação e processamento dos dados. No projeto foram utilizadas quatorze portas digitais e cinco portas analógicas, as portas digitais 3, 4, 5, 6, 7 e 13 foram conectadas a tela de LCD, as portas digitais 8, 9, 10 e 11 foram conectadas ao módulo do primeiro motor de passo, a porta digital 12 e a porta analógica 5 foram conectadas ao sensor de chuva, porta digital 2 foi conectada ao botão de emergência, as portas analógicas 1, 2, 3 e 4 foram conectadas ao módulo do segundo motor de passo e as portas digitais 0 e 1 foram conectadas ao módulo Bluetooth. O sensor de chuva apresenta dois componentes, uma placa com trilhas de resistência e o módulo com chip comparador LM393, a placa normalmente é fixada no local onde é desejável a presença de chuva, conforme são depositadas as gotículas de água o valor da resistência elétrica da placa é alterado e um sinal é enviado para o microcontrolador. O microcontrolador foi programado para que o sinal enviado sem a presença de água na placa fosse interpretado como ausência de chuva e o sinal enviado com a presença de água na placa fosse interpretado como condição de chuva. Os motores de passo são conectados aos módulos de controle, estes módulos possuem o chip ULN2003 que é responsável por enviar o sinal elétrico na ordem correta para as bobinas do motor de passo, garantindo assim que o motor transforme o sinal elétrico em movimento mecânico. Os módulos de controle são conectados ao microcontrolador que possibilita a programação da quantidade de movimento que os motores irão realizar. Neste projeto eles foram programados para realizar o movimento de 90º (noventa) graus, no sentido horário e anti-horário, permitindo a abertura e fechamento das abas da janela. O botão de emergência é um botão de acionamento com retorno por mola, quando acionado ele envia um sinal elétrico ao microcontrolador. Este sinal é

7 interpretado como uma interferência do usuário e aciona os movimentos de abertura ou fechamento da janela. Neste projeto, também foi disponibilizada uma tela de LCD 16x2, o número 16 indica que a tela possui 16 colunas e o algarismo 2 indica que a tela possui duas linhas, este elemento foi empregado para permitir ao usuário a visualização de algumas informações durante o funcionamento do sistema. O acionamento à distância para abertura e fechamento da janela é realizado por um smartphone, para realizar a comunicação entre o smartphone e o microcontrolador foi instalado o módulo Bluetooth RS232 HC-5, este módulo é responsável por receber e enviar dados de texto, possibilitando assim o acionamento remoto até a distância de dez metros. O comando remoto via Bluetooth necessita do aplicativo a ser instalado no smartphone. O aplicativo foi elaborado utilizando o site MIT app inventor, nele é possível criar aplicativos para diversas finalidades. Foi desenvolvido o aplicativo Window Tech, que possibilita ao usuário acionar a janela. A figura 2 apresenta a interface do aplicativo. Figura 2 - Interface do aplicativo (AUTORES, 2017). O botão Conectar permite ao usuário realizar a conexão Bluetooth entre o smartphone e o módulo Bluetooth. O botão ABRIR, ao ser acionado, envia, por meio do módulo Bluetooth, para microcontrolador o texto abrir, esse texto é interpretado e

8 os comandos de abertura da janela são executados. O botão FECHAR envia, da mesma forma, o texto fechar ao microcontrolador e este ao receber, executa os comandos para o fechamento da janela. 6. RESULTADOS Após os componentes serem conectados no sistema, os testes operacionais foram iniciados com a abertura e o fechamento da janela via botão de emergência, durante esta operação não foi encontado nenhum problema, a janela abriu e fechou e a mensagem correspondente ao estado da janela foi exibida no display conforme figura 3. Figura 3 Teste da janela operando com o botão de emergência (AUTORES, 2017). Em seguida, foi realizado o teste de abertura e fechamento da janela por meio do acionamento remoto, para isto foi instalado o aplicativo Window Tech no smartphone. Foi efetuada a conexão Bluetooth do smartphone com o módulo Bluetooth por meio do botão Conectar. Ao acionar o botão ABRIR do aplicativo, a janela abriu e ao acionar o botão FECHAR a janela fechou, também foi possível observar a mensagem no display indicando o estado da janela. Nesta fase dos testes foi verificado um problema: ao pressionar o botão FECHAR do aplicativo com a janela fechada, o sistema travou, e para retornar à operação normal tornava-se necessário desenergizar e energizar o microcontrolador. Para solucionar este problema foi acrescentado um comando na programação para

9 limpar o texto enviado pelo Bluetooth, um novo teste foi realizado e a janela não travou. Por fim, foi executado o teste do sensor de chuva, ao umedecer o sensor a janela fechou e foi possível observar a mensagem no display indicando que o fechamento deu-se pelo motivo de chuva. Quando foi retirada a umidade do sensor, a janela abriu e também foi possível observar a mensagem de janela aberta no display. No entanto, foi observada outra falha: ao fechar a janela pelo botão de emergência ou pelo aplicativo Bluetooth ela abria novamente, pois na elaboração da programação o sensor de umidade, o botão e emergência e o aplicativo Bluetooth estavam com a mesma prioridade para ativar a abertura da janela. Para solucionar esta falha foi removido da programação o comando para abrir a janela quando o sensor de chuva estivesse com ausência de umidade, desta forma a janela só abre se for pressionado o botão de emergência ou o botão abrir do aplicativo, mas o fechamento da janela ocorre pelo acionamento do botão de emergência, por meio do aplicativo e pela identificação de umidade no sensor de chuva. Assim, após a janela fechar pela presença chuva ela permanecerá fechada e só abrirá se o usuário acionar o botão de emergência ou o botão abrir do aplicativo. Podemos observar na figura 4 o teste de funcionamento da janela com o sensor de umidade. Figura 4 Teste da janela com o sensor de umidade (AUTORES, 2017).

10 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS Por meio dos resultados obtidos com os testes realizados em bancada, com o protótipo da janela, pode-se concluir que a implementação da automação apresentou resultados favoráveis, uma vez que a programação e o circuito elaborados atenderam aos padrões impostos, possibilitando assim que o projeto atingisse as expectativas esperadas. A fim de implementar este projeto em residências, poderão ser desenvolvidas alterações que não mudarão a programação previamente planejada. Como exemplo de alteração pode-se citar a instalação de motores de passo com maior capacidade de carga para possibilitar a movimentação de janelas com dimensões e massa superiores às do protótipo, mas para aciomento dos mesmos haverá a necessidade do redimensionamento do circuito de acionamento dos motores, os quais exigirão níveis de tensão e corrente maiores do que o necessário para o aciomento do protótipo criado. Estudos futuros poderão ser desenvolvidos a fim de aprimorar o funcionamento da janela, como exemplo, pode ser citada a instauração de um método que permita ao usuário estipular um horário pré-determinado para abertura e fechamento da janela. 8. FONTES CONSULTADAS GOEKING, W. Da máquina a vapor aos softwares de automação, Disponível em: < Acesso: 25 fev PESSÔA, M. S. P.; SPINOLA, M. Introdução à Automação: para cursos de engenharia e gestão. Editora Elsevier, BOLZANI, C. A. M. Residências Inteligentes: um curso de domótica 1.ed. São Paulo. Editora Livraria da Física, 2004.