Lucas Pauli Simões. Uso de um veículo automatizado para o monitoramento de ambientes residenciais.

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1 Lucas Pauli Simões Uso de um veículo automatizado para o monitoramento de ambientes residenciais. Joinville 2009

2 Lucas Pauli Simões Uso de um veículo automatizado para o monitoramento de ambientes residenciais. Trabalho de Conclusão do curso de Bacharelado em Ciência da Computação da Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC Orientador: Ricardo Ferreira Martins UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS Joinville 2009

3 i Lucas Pauli Simões Uso de um veículo automatizado para o monitoramento de ambientes residenciais. Trabalho de conclusão de curso; objetivo: aprovação em Trabalho de Conclusão de Curso, Bacharel em Ciência da Computação. Universidade do Estado de Santa Catarina; Ciência da Computação. Banca Examinadora: Prof. Mestre, Ricardo Ferreira Martins Orientador Prof. Doutor, Maurício Aronne Pillon Universidade do Estado de Santa Catarina Profa. Mestre, Luciana Rita Guedes Universidade do Estado de Santa Catarina Joinville 2009

4 ii Dedico esta monografia aos meus pais, à minha irmã, toda minha família e a todos meus amigos que, apesar de estarem distantes fisicamente, estão sempre presentes em minha vida.

5 iii Agradecimentos Dedico meus sinceros agradecimentos: À Andrea, pelo apoio, companheirismo, compreensão e incentivo. Ao meu orientador Ricardo, pela idealização do trabalho e pela paciência comigo em nossas reuniões. À minha banca avaliadora, Maurício e Luciana, pelo interesse no trabalho. Esse foi um grande motivacional para o desenvolvimento do mesmo. Ao Alex, pelas consultorias, ideias e incentivos. À Cinara, pelo espaço e componentes cedidos que muito ajudaram no processo de aprendizado. Ao Anderson, pelos experimentos em eletrônica desenvolvidos em conjunto durante nosso aprendizado. Ao grupo COLMÉIA, pela introdução ao Mundo Hardware Livre. A todos meus colegas de trabalho da CINF. Aos professores do Departamento de Ciência da Computação, pelo conhecimento passado e amizade adquirida. À UDESC, pela grande experiência que me foi oferecida nestes anos de graduação.

6 iv Veni, Vidi, Vici. Gaius Julius Caesar

7 v Resumo O controle de ambientes residenciais é uma área crescente, que utiliza tecnologias aplicadas em diversos setores. Neste trabalho foi desenvolvido um veículo não guiado, sem realimentação de posicionamento, capaz de monitorar um ambiente residencial, utilizando-se de protocolos de comunicação sem fio e sensores para coleta de dados. Tal dispositivo, tem como função principal a aquisição das informações que serão disponibilizadas ao usuário do sistema.

8 vi Abstract The remote monitoring of residential environment is a growing area, that uses applied technologies in several sections. In this work a unguided vehicle was developed, without positioning feedback, capable of monitor a residential environment, by using wireless communication protocols and sensors for collection of data. Such device, has as main function the acquisition of the information that will be made available to user of the system.

9 vii Lista de Figuras 1 Arquitetura da proposta Classificação escalar de tipos de redes conforme distância de processadores (a)(tanenbaum, 2003) e (b)(mobilezone, 2009) A ponte Golden Gate e o leiaute dos nós na ponte. (adaptada) (KIM et al., 2007) 7 4 Sistema de monitoramento residencial baseado em redes a sensores híbridas. (traduzida) (SONG et al., 2007) Classificação de sensores de acordo com os seis domínios de sinal (adaptada) (MEIJER, 2008) Sensores auto-geradores e moduladores (adaptada) (MEIJER, 2008) Sistema de controle em malha-fechada (OGATA, 1982) Sistema de controle em malha-aberta (OGATA, 1982) Representação de onda (WIKIPEDIA, 2009) Campo de visão e alcance de dispositivos Infravermelhos Representação de uma Piconet Representação de uma Scatternet Representação de uma rede ZigBee Lei de Moore (MUSEUM, 2009a) Gama de dispositivos móveis e os tipos de aplicativos que executam (BANERJEE, 2008) Arduino Duemilanove (ARDUINO, 2009) (a) Xbee Shield - Permite que o arduino se comunique através de ZigBee. (b) Motor Shield - Auxilia o controle de motores DC. (c) Ethernet Shield - Possibilita comunicação ethernet. (ARDUINO, 2009)

10 Lista de Figuras viii 18 Representação do veículo definido no projeto Cenário utilizando apenas redes a sensores Cenário utilizando apenas o veículo Cenário utilizando o veículo e sensores pré-dispostos no ambiente (almejado) Representação do ambiente utilizado para validação Carro de controle remoto utilizado no projeto Funcionamento de um relé, adaptada de Veltzen (1999) Tipos de transistores e suas polaridades (HOO, 2009) Representação de uma ponte-h (BRAGA, 2005) Placa desenvolvida para o trabalho com uma ponte-h Placa desenvolvida para o trabalho utilizando um circuito integrado (CI) com duas pontes-h Preparando o Arduino e o Shield XBee para configuração com programa X-CTU Configuração inicial do programa X-CTU Dados mais importantes para estabelecer uma rede e conexão ZigBee Representação da estrutura dos pacotes de transmissão Tela do programa que faz a coleta dos dados do veículo Rota oval utilizada nos testes Resultados dos testes na rota oval Rota circular utilizada nos testes Rota oval utilizada nos testes Rota oval utilizada nos testes Equipamentos adquiridos Gráfico dos testes de associação Projeto final do veículo

11 ix Lista de Tabelas 1 Comparativo entre as tecnologias Bluetooth e ZigBee de acordo com BSIG (2009a), Baker (2005), Wexler (2009), Kooker (2008) Custos de placas de circuito impresso e seus módulos Dados técnicos do Arduino (ARDUINO, 2009) Comparativo de fornecimento de energia do Arduino, outras fontes externas e requisitos de motores Configuração básica dos módulos XBee

12 x Sumário 1 Introdução Objetivos Organização do trabalho Análise do contexto de controle de ambientes residenciais Monitoração de ambientes residenciais Atuação em ambientes residenciais Considerações deste capítulo Protocolos e meios de comunicação para controle de ambientes residenciais Infravermelho Bluetooth ZigBee Escolha das tecnologias aplicáveis ao escopo do trabalho Considerações deste capítulo Características de um veículo automatizado Componentes básicos Requisitos e Tecnologias Arduino Considerações deste capítulo Validação e testes 37

13 Sumário xi 5.1 Definição dos Cenários Desenvolvimento do veículo Motores Placa para o controle dos motores Desenvolvimento da programação dos dispositivos Ensaios, Coleta de Dados e Validação Considerações deste capítulo Considerações Finais 59 Referências 61

14 1 1 Introdução Desde os primeiros eletrodomésticos lançados nos Estados Unidos por volta de 1920, o termo casa do futuro era utilizado com a finalidade de ilustrar os benefícios que tais produtos trariam às donas de casa na época. Essa tática de marketing é empregada até os dias de hoje, por ser um termo que remete à ideia de que tal produto representa facilidade e conforto. (BOLZANI, 2007) O termo casa do futuro ganhou em meados do ano 2000 um sentido mais amplo, agora representando não somente os eletrodomésticos, mas também o ambiente residencial no todo. Com essa expansão, a atual casa do futuro é identificada pelo termo casa inteligente. Tal termo é definido por HLIN (2006), como uma residência que incorpora uma rede de comunicação que conecta os principais eletrodomésticos e serviços, e lhes permite serem controlados, monitorados ou acessados remotamente. De acordo com Jiang, Liu e Yang (2004) uma casa inteligente deve ter três elementos básicos, que são: uma rede de comunicação interna, que é a base da casa inteligente, podendo ser com ou sem fios; controle inteligente, onde os gateways administram o sistema; automação residencial, como links de serviços e sistemas fora da residência. Segundo Ferreira (2004), automação é definida como um Sistema automático pelo qual os mecanismos controlam seu próprio funcionamento, quase sem a interferência do homem. Para Bolzani (2007), a automação residencial oferece oportunidades para poupar tempo, tornando assim nossa vida mais organizada, eficiente, segura e divertida. Cada cômodo do ambiente residencial tem potencial para automação. O uso mais comum em ambientes residenciais, é a atuação na iluminação ambiente. Assim como observado por Cherry (2006), podemos citar outras possibilidades de utilização de tais recursos:

15 1 Introdução 2 Automatizar tarefas como molhar o gramado, abertura e fechamento de cortinas, controlar luzes e eletrodomésticos, ou ainda controlar o aquecedor de água elétrico. Sensores de movimento para ligar em holofotes e câmeras fora da residência. Ou acender luzes dentro da residência enquanto caminha de cômodo em cômodo, criar uma campainha automática, e mais. Uso de sensores de água para informar um vazamento nos encanamentos Sensores de temperatura para regulagem da temperatura ambiente. Configurar um sistema de vigilância usando webcams. Monitorar remotamente a residência por webcams e a Internet. Tudo isso, somente é possível através da monitoração e atuação. A monitoração é efetuada com o auxílio dos sensores, eles são os responsáveis pela coleta de dados do ambiente, podendo captar as mais diversas informações, como: temperatura, luminosidade, movimento, som, etc. Já os atuadores são os responsáveis pela atuação, ou seja, pelas ações tomadas. Tais ações geralmente são definidas com base nas informações obtidas através dos sensores. Geralmente os atuadores influenciam o ambiente, fornecendo ou não corrente elétrica a dispositivos conectados a eles, como por exemplo, uma lâmpada, uma sirene, uma trava elétrica, etc.. Entretanto, o uso de sensores e atuadores sem um dispositivo controlador, não possuem utilidade. Para que estes elementos possam tornar uma casa inteligente, automatizar um processo fabril ou prover a segurança em um patrimônio, é necessário o tratamento das informações coletadas para auxiliar nas tomadas de decisões. Por exemplo, um sensor simplesmente lendo a temperatura do ambiente, não fará o ar-condicionado ser acionado sozinho, essa informação de temperatura deve ser informada a um dispositivo controlador e esse por sua vez decidirá, com base em sua programação, se o ar-condicionado deve ou não ser acionado. Os dispositivos responsáveis por esse tratamento das informações são os microcontroladores. Existem vários dispositivos que utilizam os microcontroladores, para torná-los capazes de realizar tal tarefa. A maioria desses dispositivos são desenvolvidos focados em um determinado ambiente de atuação. Para Ribeiro (1999), visando a utilização em automação industrial, as Centrais Lógicas Programáveis (CLPs) são as mais indicadas por possuírem um hardware desenvolvido para suportar as condições ambientais de uma indústria. De acordo com Kennedy e Traister (2002), quando o objetivo é segurança, tanto residencial quanto industrial, as centrais de alarme possuem o hardware mais adequado, principalmente por prever e abordar as

16 1 Introdução 3 necessidades da área de segurança patrimonial nativamente, fornecendo meios de monitoração e atuação focados nesse contexto. Quando o foco para a monitoração e a atuação não se enquadra em nenhum dos ambientes mencionados acima, passamos a analisar outras alternativas que forneçam a mesma funcionalidade (processamento), porém focada em objetivo específico. Dentre essas alternativas encontram-se: as redes a sensores e as placas de circuito integrado com microcontroladores programáveis (PCIMP). As redes a sensores, são mais complexas e maleáveis. Como notado por Akyildiz et al. (2002), sua criação só foi possível graças aos avanços nas áreas de eletrônicos e de comunicações sem fio. As aplicações mais comuns são nas áreas da saúde, automação residencial e de uso militar. Os sensores encontrados nessas redes podem possuir mais qualidades que os sensores tradicionais que simplesmente captam informações, eles podem possuir, por exemplo, processamento e memória interna, características muito importantes pois auxiliam em uma resposta mais rápida do sistema como um todo. As principais características desses sensores são: comunicação de curta distância, tamanho reduzido, baixo custo (comparado às demais tecnologias apresentadas), baixo consumo de energia e processamento de dados. Nas redes a sensores, encontramos nos sensores que as compõem, uma placa de circuito integrado porém com sua programação já determinada focada no tratamento do(s) sensor(es) a ela acoplado(s). Quando comparadas à utilização de PCIMPs, pode-se dizer que a diferença está em quão específico pode ser o tratamento da informação naquele ponto, uma vez que o modo de processamento daquele sensor não pode ser alterado. Apesar dos PCIMPs serem mais maleáveis, quanto ao tratamento das informações, sua programação requer um esforço adicional, uma vez que todo tratamento tanto das entradas quanto das saídas deve ser realizado. Por serem tecnologias que podem ser consideradas similares, ou ainda complementares, é comum encontrar as duas combinadas formando o que é chamado de redes a sensores híbridas, abordagem adotada por Song et al. (2007) em seu trabalho. Neste trabalho, pretende-se desenvolver um veículo com uma PCIMP, de forma a permitir que os moradores de uma residência possam interagir remotamente com o ambiente, ilustrado na Figura 1.

17 1 Introdução 4 Figura 1: Arquitetura da proposta Essa interação ocorrerá de forma a avaliar condições ambientais (temperatura, umidade do ar, luminosidade, etc.), comportamentais (presença de pessoas em determinada localização da residência, rotinas do dia-a-dia, etc.), dentre outras. O uso de sensores permitirá que os parâmetros monitorados sejam tratados com o objetivo de permitir atuações sobre ambiente, não através do sistema, mas sim, através da notificação do estado do mesmo. Para que isso seja possível o uso de uma rede de comunicação se faz necessária. As redes podem ser classificadas por extensão geográfica como ilustrado na Figura 2 em (a) de acordo com Tanenbaum (2003) para as redes cabeadas, e em (b) de acordo com MOBILEZONE (2009) para redes sem fio. Figura 2: Classificação escalar de tipos de redes conforme distância de processadores (a)(tanenbaum, 2003) e (b)(mobilezone, 2009) Neste trabalho, por estar tratando do controle de ambientes residenciais, os grupos mais adequados são PAN e WPAN, pois apenas um comodo pode ser monitorado por sensor. Como a construção civil residencial normalmente não oferece estrutura para redes de computadores cabeadas (apesar da existência de normativas como: a EIA/TIA 568 para ambientes residenciais

18 1.1 Objetivos 5 e EIA/TIA 569 para edifícios comerciais), foi optada a utilização de redes sem fio, e dentre as tecnologias sem fio que mais se encaixam nesse perfil temos: Infravermelho, Bluetooth e ZigBee. Para validação, será utilizado um veículo em miniatura, capaz de repetir uma determinada trajetória pré-programada, dentro do ambiente residencial. A utilização do veículo será interessante, no sentido de que os módulos de comunicação dos sensores podem ter uma área de curto alcance (ou seja, será considerado que o protocolo de comunicação escolhido não possui uma área de cobertura suficiente para englobar todo o ambiente). Logo, com o veículo coletando as informações do ambiente através de sensores espalhados pelo mesmo, elimina a necessidade de uma ligação entre os sensores e o servidor. É interessante ressaltar que o veículo não descarta o uso de coletores de dados auxiliares, acoplados diretamente ao sistema central ou espalhados pelos cômodos. Quanto à atuação, o veículo seria capaz de interromper a sua rotina padrão, para então executar uma tarefa pré estabelecida ao identificar um situação definida (por exemplo, interromper toda a sequência de consultas aos sensores para informar uma condição de emergência). 1.1 Objetivos O objetivo geral é desenvolver um dispositivo capaz de monitorar e atuar em um ambiente residencial, utilizando-se de protocolos de comunicação sem fio e sensores para coleta de dados. Os elementos necessários para o desenvolvimento da proposta estão definidos como: um mecanismo de atuação (veículo) que possa receber instruções do sistema central, realizando assim alguma rotina; dispositivos para monitoração (sensores) que disponibilizem as informações para o sistema central e/ou veículo; um sistema central (um servidor ou sistema embarcado) capaz de se comunicar com o veículo, visando obter os dados dos sensores. Para a definição dos elementos citados anteriormente, as seguintes etapas foram executadas visando identificar os elementos que eram mais pertinentes ao escopo do trabalho: Estudo dos conceitos e tecnologias associados à monitoração, atuação e comunicação entre dispositivos;

19 1.2 Organização do trabalho 6 Estudo dos protocolos e meios de comunicação entre as tecnologias de monitoração, atuação e processamento; Levantamento e analise de trabalhos correlatos; Definição das características dos dispositivos responsáveis pelo monitoramento e atuação, e do sistema central; Desenvolver o protótipo e promover a sua validação. A partir desse levantamento e estudo, foi elaborada a estrutura do trabalho visando uma disposição de tópicos pertinente à melhor compreensão do texto. 1.2 Organização do trabalho O Capítulo 2, trata do embasamento teórico sobre monitoração e atuação necessário para o desenvolvimento do trabalho. Nele são identificados os conceitos e tecnologias relacionados ao monitoramento de ambientes como também são abordados trabalhos correlatos a este, onde o objetivo está em identificar pontos comuns e auxiliar na contextualização. Nesse capítulo são identificados pontos como: tecnologias utilizadas, objetivos e diferenciais. O Capítulo 3 trata dos meios de comunicação e protocolos envolvidos no controle de ambientes residenciais. Com as informações citadas, a essência do trabalho está determinada. Assim o capítulo 4 trata dos requisitos necessários para a criação de um veículo, focado no controle de ambientes. Por fim, o capítulo 5 conclui a definição do cenário de validação, finalizando assim o conteúdo necessário para as conclusões, que encerram o trabalho (Capítulo 6).

20 7 2 Análise do contexto de controle de ambientes residenciais Nesse trabalho, o termo controle é utilizado para simbolizar a união da monitoração remota (coleta de dados) com atuação remota (influência no meio). O controle de ambientes, é um recurso muito utilizado nas mais diversas áreas. Sua difusão ocorre principalmente por dispor ao seu utilizador facilidades. Essa facilidade citada, se trata da simplificação em se obter as informações desejadas, ou quase instantaneamente, ou através da monitoração independente da presença do indivíduo enquanto os dados são coletados. Um exemplo de monitoração independente da presença de pessoas para seu acompanhamento, é o trabalho desenvolvido por Kim et al. (2007). Nesse trabalho foi utilizada uma rede a sensores sem fio na ponte Golden Gate localizada em São Francisco. Foi utilizada uma rede de 64 sensores (nós), onde eram coletadas as vibrações ambiente. Os sensores foram distribuídos ao longo da ponte como representado na Figura 3, com essa distribuição é possível saber como se encontra cada trecho da ponte em determinado instante. Figura 3: A ponte Golden Gate e o leiaute dos nós na ponte. (adaptada) (KIM et al., 2007) O objetivo do trabalho de Kim et al. (2007), é de captar as vibrações da ponte causadas por: vento, abalos sísmicos, explosões, etc. para que com essas informações, possa avaliar as condições estruturais da ponte (sua saúde ) e eventualmente disparar alarmes de perigo de desabamento. Esse trabalho é citado por deixar claro que monitoração não está obrigatoriamente vinculado à atuação. Assim como o trabalho proposto por Hussain, Erdogan e Park (2008), que

21 2 Análise do contexto de controle de ambientes residenciais 8 utiliza redes a sensores para monitoramento de atividades do usuário em ambientes residenciais, onde experimentos foram conduzidos em um quarto para determinar o comportamento de uma pessoa durante o sono, entre outras atividades. Para Hussain, Erdogan e Park (2008), um ambiente inteligente é aquele que é rico em sensores, atuadores, displays e elementos computacionais quase que invisíveis ou amplamente mesclados aos elementos do dia-dia. Outro trabalho, com uma abordagem diferenciada é o de Song et al. (2007), onde com o uso de uma rede a sensores híbrida, foi modelada uma arquitetura de rede auxiliada por um veículo que trabalha como nó de rede. O veículo, guiado remotamente, é então utilizado como ponte visando cobrir uma falha de rede onde o antigo nó se torna inativo, a arquitetura é representada na Figura 4. Figura 4: Sistema de monitoramento residencial baseado em redes a sensores híbridas. (traduzida) (SONG et al., 2007) Essa rede híbrida é utilizada para o controle remoto de ambientes residenciais. Nesse cenário o grande diferencial para as redes a sensores tradicionais, é a existência de sensores(nós) móveis, que fornece à rede uma maior maleabilidade. O autor também propõe o uso do veículo para monitoração direta, onde o cumprimento dessa tarefa se dá através de uma câmera acoplada ao dispositivo. Esse trabalho é o mais próximo encontrado ao aqui desenvolvido. Outros trabalhos em desenvolvimento paralelo a este que devem ser citados, são de Sousa (2009) e Pereira (2009). O problema abordado pelos dois trabalhos é a questão da tomada de decisão no monitoramento. Em seu trabalho, Sousa (2009) trata das dificuldades encontradas na avaliação do monitoramento patrimonial remoto. O monitoramento patrimonial trata de questões onde a tomada de decisão baseada em situações é crítica, e sua proposta é auxiliar essa tomada de decisão a tor-

22 2.1 Monitoração de ambientes residenciais 9 nando cada vez mais precisa. Isso é atingido através das informações coletadas, auxílio de uma pessoa especialista e um algoritmo computacional, com esses elementos as decisões se tornam cada vez mais precisas e o sistema mais confiável. Já no trabalho desenvolvido por Pereira (2009), exclui-se o elemento especialista, mas é tratado também o auxílio na tomada de decisão. Em sua abordagem, Pereira (2009) utiliza dispositivos móveis para análise com objetivo de fornecer uma forma de comunicação entre o dispositivo e um sistema de segurança, instalado em uma residência, visando possibilitar algumas funções de monitoramento remoto e auxílio à tomada de decisão. No trabalho descrito neste texto, a tomada de decisão está completamente desvinculada do sistema, onde todas ações do veículo já estão pré-programadas e, são apenas ativadas por eventos como já mencionado anteriormente. 2.1 Monitoração de ambientes residenciais O significado da palavra monitorar é definido por Ferreira (2004) como, ato ou efeito de monitorar onde monitorar consiste em acompanhar e avaliar dados fornecidos por aparelhagem técnica. De acordo com Stallings (1998), o processo de monitoramento consiste em três principais de áreas de projeto: Acesso à informação monitorada: como definir quais informações são monitoradas, e como obter esta informação do recurso e passá-la ao gerente do sistema. Projeto dos mecanismos de monitoramento: qual é a melhor maneira de obter as informações do recurso. Aplicação da informação monitorada: como a informação monitorada é usada nas áreas de tomada de decisão. Em uma residência, cada cômodo possui uma variedade distinta de informações que podem ser monitoradas e, para selecionar o que monitorar é necessário saber para qual finalidade essas informações serão monitoradas. Ao analisar as principais motivações do monitoramento, é possível identificar cinco grupos distintos como observado por Lutolf (1992). Tais grupos são: Entretenimento audiovisual: radio, televisão, vídeo e sistemas de alta qualidade.

23 2.1 Monitoração de ambientes residenciais 10 Conforto: alteração programável de iluminação, venezianas, cortinas, portas, e o controle remoto de tipos diferentes de eletrodomésticos. Gerenciamento de energia: uso eficiente de energia e gerenciamento de carga em AVR (aquecimento, ventilação, resfriamento) e iluminação. Segurança e proteção: sistemas de alarme, operação segura de equipamentos técnicos ou assistência médica em casos de emergência. Serviços de comunicação: PBX e serviços de informação (ISDN). Sabendo o que é controlado, a identificação do que deve ser monitorado é algo intrínseco. Por exemplo, quando o controle da iluminação de um ambiente é o almejado, é necessário monitorar a iluminação atual daquele ambiente para que as alterações necessárias sejam aplicadas visando atingir um ideal pré-definido ou proposto. Para que o monitoramento seja possível, é necessária a captura e o armazenamento das informações do ambiente. A captura é feita através de dispositivos capazes de transformar essas informações, para que possam ser interpretadas por humanos, tais dispositivos são conhecidos como sensores. Sensores são responsáveis por, a partir de sinais de diferentes domínios de energia, converter esses sinais para o domínio elétrico. Esses sinais podem pertencer a seis domínios distintos de energia representados na Figura 5. (MEIJER, 2008) Figura 5: Classificação de sensores de acordo com os seis domínios de sinal (adaptada) (MEIJER, 2008)

24 2.1 Monitoração de ambientes residenciais 11 Cada domínio da Figura 5 contém todos os sinais de seu respectivo domínio. Sensores óticos são os sensores capazes de traduzir estes sinais para sinais elétricos, que estão ilustrados no domínio elétrico. Um exemplo é um sensor de imagens que traduz figuras para sinais elétricos. No domínio mecânico se encontram os acelerômetros e sensores de airbags, que traduzem a aceleração mecânica. De modo similar, os sensores de temperatura traduzem os sinais térmicos para sinais elétricos. O mesmo princípio se aplica aos demais domínios, é possível até encontrar sensores elétricos, que por exemplo, podem traduzir a diferença de voltagem entre eletrodos no peito de um paciente para sinais elétricos. Dentre os grupos citados, neste trabalho serão considerados para utilização somente os grupos: ótico, magnético, térmico e elétrico. O motivo de tal restrição é que o foco desse trabalho se encontra em ambientes residenciais, e nesse ambientes, os domínios destacados são os mais comuns. Os sensores podem ainda ser subdivididos em sensores passivos (auto-geradores) e ativos (moduladores) Figura 6. A diferença entre essas classificações é: os sensores passivos obtém sua energia do sinal de saída a partir do sinal de entrada, enquanto os sensores ativos a obtém de uma fonte interna de energia. Os sensores ativos podem adquirir uma grande quantidade de energia entre os sinais de entrada e saída. (MEIJER, 2008) Figura 6: Sensores auto-geradores e moduladores (adaptada) (MEIJER, 2008) Um sensor de luminosidade, usado para identificar a presença e ausência de uma fonte luminosa, é classificado como um sensor passivo, pois sua leitura independe de sua influência

25 2.2 Atuação em ambientes residenciais 12 no ambiente. Já um sensor de interrupção, usado muitas vezes como contador, é composto por um feixe de luz infravermelha que parte de um emissor até um receptor, que quando tem o feixe interrompido gera uma notificação, é classificado como ativo, pois depende de sua interferência no ambiente (emissão do feixe) para operar. Logo, neste trabalho poderão ser utilizados tanto sensores passivos quanto ativos. Temos então definida como é tratada a monitoração de ambientes. Porém apenas parte da proposta está cumprida, como explicado anteriormente, parte da proposta está em atuação e, para a atuação ocorrer é necessário obter informações para auxiliar na tomada de decisão sobre como atuar, eis a parte nesta sessão tratada. Na sessão seguinte será tratada a atuação em si, e como ela se enquadra no escopo deste trabalho. 2.2 Atuação em ambientes residenciais No Capítulo 1, foi levantada uma discussão sobre automação e seu papel na em ambientes residenciais. Com as definições e considerações de Ferreira (2004) e Bolzani (2007), pode-se considerar a automação residencial algo que estará cada vez mais presente no nosso cotidiano, principalmente considerando as possibilidades de aplicação elencadas por Cherry (2006). Com o objetivo de uma melhor compreensão da automação residencial, é necessário conhecimento básico dos processos modernos e da teoria de controle moderna. Para Ogata (1982), os processos modernos, por serem muito complexos e possuírem muitas entradas e saídas, a descrição de um sistema de controle para esses processos exige um grande número de equações. A teoria de controle clássica, que trata apenas de sistemas de entradasimples-saída-simples, tornou-se inteiramente impotente para sistemas de múltiplas-entradasmúltiplas-saídas. Desde 1960, aproximadamente, tem sido desenvolvida a teoria de controle moderna, para competir com a complexidade crescente de processos modernos, requisitos rigorosos e estreitos em precisão. O autor afirma que a utilização de computadores no projeto de sistemas de controle e o seu uso on-line na operação desses sistemas é uma prática comum, devido à sua real disponibilidade para uso em cálculos complexos. Pode-se dizer que os desenvolvimentos mais recentes na teoria de controle moderna estão na direção do controle ótimo tanto de sistemas determinísticos como estocásticos, bem como para controle de aprendizado e adaptativo de sistemas complexos. De acordo com Ogata (1982), para que um sistema de controle possa ser definido, se faz necessário o conhecimento de algumas definições:

26 2.2 Atuação em ambientes residenciais 13 Plantas: É qualquer objeto físico a ser controlado, composto por um conjunto de itens de uma máquina, que dada uma operação, sua finalidade é desempenhá-la. Processos: É qualquer operação a ser controlada, como por exemplo: processos químicos, econômicos e biológicos. O processo é uma operação de desenvolvimento natural ou gradual de evolução progressiva. Sistemas: Uma combinação de componentes que atuam conjuntamente para realizar um certo objetivo é um sistema. Sistemas não são limitados a algo físico. O conceito de sistema pode ser aplicado a fenômenos abstratos, dinâmicos, tais como os sistemas físicos, biológicos, econômicos etc. Os sistemas de controle podem ser classificados em dois tipos, os sistemas de controle em malha-fechada e em malha aberta. Esses dois tipos serão definidos e posteriormente comparados. Sistemas de controle em malha-fechada: São aqueles onde o sinal de saída possui um efeito direto na ação de controle. Ou seja, sistemas de controle em malha-fechada são sistemas de controle realimentados. O sinal erro atuante, que é a diferença entre o sinal de entrada e o sinal realimentado, é alimentado no controlador para reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado. Isto é, implica o uso de ação de realimentação com a finalidade de reduzir o erro do sistema. A Figura 7 ilustra a relação entrada-saída do sistema de controle em malha-fechada, por meio de um diagrama de blocos. Figura 7: Sistema de controle em malha-fechada (OGATA, 1982) Nesse sistema, podemos enquadrar o trabalho proposto por Song et al. (2007), pois em seu trabalho, quando a rede a sensores perde comunicação com um ou mais nós, o sistema envia o veículo visando reparar a rede, ou seja a saída desencadeia uma série de eventos que após finalizados influencia diretamente na entrada. Outro exemplo que pode ser citado como em malha-fechada é o marcapasso, sendo que o mesmo fica monitorando o coração e caso a saída esteja errada, ele fornece uma descarga elétrica ao coração corrigindo o sistema.

27 2.2 Atuação em ambientes residenciais 14 Sistemas de controle em malha-aberta: São sistemas de controle nos quais a saída não tem efeito na ação do controle. Em um sistema de controle em malha-aberta, a saída não é medida, nem realimentada para comparação com a entrada. Consequentemente, a cada entrada de referência corresponde uma condição de operação fixa. A precisão do sistema depende de uma calibração. Na presença de distúrbios, um sistema de controle em malha-aberta não desempenhará a tarefa desejada. É característica de qualquer sistema de controle em malhaaberta operar em uma base de tempo. A Figura 8 indica a relação entrada-saída de um sistema deste tipo. Figura 8: Sistema de controle em malha-aberta (OGATA, 1982) O trabalho de Kim et al. (2007), é um exemplo de sistema de controle em malha-aberta, pois o estado avaliado da ponte, caso se encontre em estado crítico, o sistema não tomará atitudes para repará-la, salvo o caso da notificação através da adição de uma sirene de alerta como proposto pelo autor do trabalho. O trabalho aqui proposto também se enquadra nesse modelo, sendo que caso ocorra alguma situação que altere a rotina do veículo, tanto por demanda quanto uma situação crítica, a saída não é alterada quando comparada com o comportamento padrão do dispositivo, ou seja, em todos os casos o veículo apenas reporta a situação do ambiente ao servidor. Em seu livro, Ogata (1982) faz uma comparação dos sistemas de controle em malha-fechada e malha-aberta. Os sistemas em malha-fechada possuem maior tolerância a distúrbios externos e variações internas em parâmetros do sistema. O que torna possível a utilização de componentes baratos e de baixa precisão para obter o controle preciso de um dado processo; algo que é impossível no caso de malha-aberta. Do ponto de vista de estabilidade, é mais fácil construir o sistema de controle em malhaaberta, contanto que a estabilidade não constitua um problema significativo. Por outro lado, o autor levanta que a estabilidade é sempre um problema fundamental no sistema de controle em malha-fechada já que sua característica é tender a corrigir erros e causar oscilações de amplitudes constantes ou variáveis. Para sistemas onde as entradas são conhecidas antecipadamente no tempo e nos quais não há distúrbios(alterações no sistema), é aconselhável usar controle em malha-aberta. Na concepção do autor Sistemas de controle em malha-fechada possuem vantagens apenas quando distúrbios imprevisíveis e/ou variações imprevisíveis em componentes do sistema estão presentes. A

28 2.3 Considerações deste capítulo 15 combinação apropriada de controle em malha-aberta e em malha-fechada normalmente é mais barata e fornece um desempenho global do sistema bastante satisfatório. 2.3 Considerações deste capítulo Nesse capítulo foram tratados conceitos de monitoramento e atuação com base na teoria de controle, tais conceitos auxiliaram a modelagem e representação de cada elemento no trabalho, assim como suas atribuições. A planta tratada nesse trabalho é um ambiente residencial, onde o controlador (veículo) monitora o ambiente contido em sua rota, o monitoramento se dá através da utilização de um ou mais sensores acoplados ao veículo além de coletar informações adicionais de determinados trechos do trajeto por meio de sensores devidamente distribuídos no mesmo. A monitoração exercida pelo veículo se faz no sentido de notificar o usuário sobre a situação do ambiente verificado ao longo da rota. No trabalho, um evento que pode desencadear uma rotina alternativa é uma leitura de um sensor com retorno definido como crítico. Ou seja, o veículo permanece percorrendo seu trajeto com sua rotina de leitura dos sensores e entrega de dados, até que uma leitura crítica de um sensor ocorra, o que faz com que o veículo altere para um modo de emergência, que executa uma rotina alternativa também já pré-programada. Apesar da atuação não ser tratada neste trabalho, existem atuações que podem ser tratadas em trabalhos futuros, como por exemplo: acionar um sistema de ventilação caso a leitura de um sensor de temperatura indique um valor crítico, assim como uma leitura crítica de um sensor de gás. Com essas definições, resta para conclusão da proposta um aprofundamento de como os elementos do sistema se comunicam, que será discutido no próximo capítulo, além da especificação da constituição do veículo, assunto este tratado no capítulo 4.

29 16 3 Protocolos e meios de comunicação para controle de ambientes residenciais Apesar das tecnologias sem fio representarem o auge da tecnologia atual, sua origem vem de um passado distante, mais precisamente por volta de 1800, com o descobrimento do que agora é chamado de infravermelho e o conceito de luz por Sir William Herchel. Sua descoberta era maior que o imaginado, pois ele havia descoberto uma nova porção do espectro eletromagnético que ultrapassava a luz visível ao olho humano, fato somente conhecido 30 anos após a real descoberta (BRITANNICA, 2009; STEWARD, 2008). Essa porção do espectro é utilizada em tantas tecnologias sem fio, que foi incluída como possível camada física (PCF) no padrão da IEEE. Dentre todas as tecnologias que utilizam o infravermelho, podemos ressaltar os PDAs, notebooks e controles remotos. A próxima grande descoberta foi a teoria das ondas eletromagnéticas. Tais ondas são utilizadas em rádios, fornos de micro-ondas, transmissões de TV e comunicação em redes WiFi. As ondas eletromagnéticas foram descobertas por James Clerk Maxwell, onde ele codificou o eletro-magnetismo como uma série de fórmulas matemáticas, propôs que a própria luz seria uma forma de distúrbio eletromagnético, proposta posteriormente comprovada. (SILVA, a, b) Atualmente ao empregar o uso de redes sem fio, por diminuir a quantidade de hardware e trabalho de implantação física, geralmente diminui-se também os custos, adquire-se a vantagem da mobilidade, sem abrir mão de segurança. De acordo com Carpenter (2006) dentre todas as tecnologias de redes sem fio, destacam-se: Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, Infravermelho e ZigBee. A tecnologia envolvida nas redes sem fio está cada vez mais acessível devido à clara queda de seu custo. Com isso as redes sem fio estão se tornando a opção preferencial, quando tratamos de redes em geral. As áreas de uso frequente das redes sem fio, vão desde ambientes residenciais até grandes empresas. Existem muitas organizações envolvidas com as tecnologias sem fio, porém podemos citar

30 3 Protocolos e meios de comunicação para controle de ambientes residenciais 17 algumas principais, as quais apresentam uma grande contribuição no desenvolvimento dessas tecnologias. Institute of Eletrical and Eletronics Engeneers (IEEE): O Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos é o responsável pela criação de padrões para muitas tecnologias, fazendo assim com que elas operem com o cumprimento de guias. Criadora e mantenedora do padrão , que contém todas especificações para redes sem fio. É uma organização com fins educacionais e científicos, direcionada a avanços teóricos e práticos nas áreas de elétricos, eletrônicos, comunicação e computação. (IEEE, 2009) WiMAX Forum (WiMAXF): O WiMAX Forum R é uma organização sem fins lucrativos orientada a industrias, formada para certificar e promover a compatibilidade e interoperabilidade de produtos sem fio baseados no padrão IEEE /ETSI HiperMAN. O WiMAX Forum trabalha em conjunto com provedores e reguladores de serviços para assegurar que os sistemas por ele certificados cubram as necessidades do consumidor e governamentais. (WIMAXF, 2001) Wi-Fi Alliance (WFA): A aliança Wi-Fi é responsável por executar testes rigorosos e certificações Wi-Fi em dispositivos sem fio que implementam as especificações Também tem como objetivo fornecer informações que auxiliam na tomada de decisões relacionadas a sistemas Wi-Fi. (WFA, 2006) ZigBee Alliance (ZBA): É uma associação de empresas trabalhando em conjunto visando possibilitar produtos confiáveis, de baixo custo, baixo consumo de energia, capazes de comunicação sem fios, que viabilizem o monitoramento e o controle, tudo baseado em um padrão global aberto. O objetivo é levar ao consumidor, flexibilidade, mobilidade e facilidade de uso, adicionando inteligência sem fio em dispositivos do dia-dia. (ZBA, 2009) Bluetooth Special Interest Group (BSIG): O Grupo de Interesses Especiais Bluetooth é uma associação privada, sem fins lucrativos fundada em setembro de A associação não cria, fabrica ou vende produtos com Bluetooth. Seus membros são companhias líderes em telecomunicações, computação, automotivos, música, aparelhos, automação e redes. Os membros guiam o desenvolvimento da tecnologia Bluetooth, implementam e a divulgam em seus produtos. As tarefas principais da associação são: publicar especificações, administrar os programas de qualificação, proteger suas marcas registradas e difundir a tecnologia Bluetooth. (BSIG, 2009b)

31 3 Protocolos e meios de comunicação para controle de ambientes residenciais 18 Infrared Data Association (IrDA): A Associação de Dados Infravermelhos foi fundada em 1993 como uma organização sem fins lucrativos na cidade de Walnut Creek na California, é uma organização internacional que cria e promove padrões de interconexão de dados interoperáveis de baixo custo. Seus padrões suportam uma vasta gama de dispositivos computacionais e de comunicação. (IRDA, 2009) Resgatando a discussão do Capítulo 1, pelo que foi observado na Figura 2, foram selecionados os grupos WPAN e PAN como possíveis candidatos para utilização no trabalho. Nesses grupos encontramos Infravermelho, Bluetooth e ZigBee, portanto essas tecnologias serão avaliadas em um maior nível de detalhe, visando identificar as que mais se adequam ao escopo do trabalho. Com intuito de analisar as tecnologias voltadas à redes sem fio, as características que são analisadas em maior nível de detalhe são: alcance, frequências e canais. O alcance avalia a distância de cobertura de um dispositivo Wi-fi ou Rádio, oque depende do tipo de antena e do ambiente. Pode ser definido também como uma medida linear da distância que o transmissor pode enviar. Os dispositivos Wi-Fi, geralmente podem chegar a alcançar até 1.6 km de cobertura, porém não mais que isso. De acordo com Carpenter (2006), ao avaliar as especificações de um dispositivo, tanto em padrões quanto em manuais, o alcance informado é o do melhor cenário, ou seja, em um ambiente aberto e sem interferências. Geralmente, para avaliar o alcance em ambientes urbanos, prédios, casas é aconselhável considerar apenas 40% do alcance indicado pelo fabricante. A unidade principal de medida de alcance é o giga-hertz(ghz), descoberta por um físico alemão, Heinrich Rudolf Hertz em sua pesquisa sobre eletro-magnetismo. A unidade mais simples, Hz significa uma vez por segundo, ou seja se você tem 100Hz você tem 100 vezes por segundo como descrito em MundoEducacao (2009). A principal grandeza utilizada no alcance é o GHz ou seja 10 9 Hz, ao analisar pelo lado elétrico, isso significa o número de vezes que uma corrente de energia completa um ciclo por segundo. Um ciclo é representado na Figura 9 como comprimento de onda (λ). Por exemplo, caso seja utilizado um dispositivo a radio com espectro de 2.4GHz, isso significa que o ciclo será repetido 2.4 bilhões de vezes a cada 1 segundo. Outros dispositivos podem utilizar o espectro de 5GHz ou seja, 5 bilhões de vezes a cada 1 segundo.

32 3 Protocolos e meios de comunicação para controle de ambientes residenciais 19 Figura 9: Representação de onda (WIKIPEDIA, 2009) Outro ponto importante é a frequência, quanto maior a frequência mais ciclos aparecerão na mesma distância, ou seja, ondas menores. Ondas menores percorrem uma distância menor que ondas longas, quando a mesma energia é aplicada. Assumindo que seja utilizado o mesmo nível de energia, as ondas de 2.4GHz alcançam distâncias maiores que as ondas de 5GHz, porém adicionando energia a qualquer uma das duas ondas, elas podem alcançar distancias maiores. Então pode-se dizer que energia é proporcional a distância, sendo assim, quanto mais energia, maior será o alcance da onda. Os dispositivos Wi-Fi trabalham em diferentes frequências e canais. Existem atualmente dois domínios regulamentados pela Comissão Federal de Comunicação dos Estados Unidos (FCC), a IEEE utiliza esses domínios para definir suas especificações sem fio. O primeiro domínio de espectro é o de uso Industrial, Científico e Médico (ISM). Esse domínio cobre a faixa de 2.4GHz à GHz, esse espectro é gratuito e não licenciado. Sua utilização pode ser encontrada na maioria dos dispositivos comuns, como por exemplo: fornos de micro-ondas, controles remotos, telefones sem fio, etc.. Esse espectro é utilizado pela IEEE nos padrões b e g. (LANE, 2009) O segundo domínio é o de Infraestrutura Informacional Nacional Não Licenciado (UNII). Utiliza a faixa de 5GHz e é utilizado pela IEEE no padrão a. Esse domínio está subdividido em 3 categorias: UNII-1, UNII-2 e UNII-3. A faixa do espectro utilizada por esse domínio cobre de 5.15GHz à 5.825GHz. (LANE, 2009) Para distinção de qual informação será transmitida em determinada faixa do espectro, é feita

33 3 Protocolos e meios de comunicação para controle de ambientes residenciais 20 a divisão do espetro em canais. Um canal, é um segmento do espectro usado por dispositivos sem fio. Esses canais podem ser alterados nos dispositivos visando diminuir ou remover a interferência, ou ainda evitar a sobreposição de outros dispositivos. IEEE (2007b) define que para os padrões ISM (802.11b/g) existem 14 canais separados por um espaço de 25MHz, ou seja, supondo que o canal 1 inicie sua faixa em 2.4GHz, o canal 2 terá seu início em 2.425GHz (apenas os canais 1, 6 e 11 não se sobrepõem). O padrão UNII (802.11a) usa 8 canais para uso em ambientes fechados e 4 canais para ambientes abertos, os canais da banda de 5GHz não sofrem sobreposição. Quanto a taxas de transferência e vazão, a taxa de transferência indica a taxa máxima teórica que a conexão opera, ou seja, o quanto de dados podem passar por tal conexão, enquanto vazão indica quanto realmente está passando pela conexão. Outra relação que pode ser feita é que quanto maior a energia fornecida maior a taxa de transferência. Por exemplo quando um cliente conectado a um ponto de acesso se afasta do mesmo, sua taxa de transferência diminui com a distância. Outro interferente de vazão são os modos de economia de energia. Tais modos influenciam diretamente na vazão, é possível se obter uma vazão baixa mesmo com uma taxa de transferência alta, quando utilizado algum modo de economia de energia. Existem dois modos principais: o modo ativo e o modo de economia de energia. No modo ativo o dispositivo está sempre apto à comunicação, enquanto no modo de economia de energia, o dispositivo apenas escuta o meio e caso exista uma requisição de comunicação o dispositivo alterna para o modo ativo até que a transmissão seja finalizada. O modo de economia de energia afeta a vazão diretamente, pois como nesse modo o dispositivo apenas escuta o meio, existe mais espaço livre na banda para uso de outros dispositivos em modo ativo. Um ponto que deve ser levantado em conjunto com a distância do ponto de acesso é a flutuação. A flutuação ocorre quando existe a troca de ponto de acesso sem perda de conexão. Para que isso ocorra com dispositivos sem fio, é necessária a comunicação entre pontos de acesso, pois dessa maneira, um ponto de acesso comunica ao outro uma lista de clientes a ele conectado, para que assim caso um cliente se encontre somente no raio de alcance do segundo ponto de acesso, ele seja reconhecido. Mas para que ele seja reconhecido, exite uma dependência de infraestrutura. De acordo com IEEE (2007b), para infraestrutura de redes sem fio, temos duas classificações: o conjunto de serviços básicos (BSS) e o conjunto de serviços básicos independentes (IBSS). No modo IBSS, não existe um ponto de acesso ou roteados, apenas conexões ponto-a-ponto, esse modo é também conhecido como modo AD HOC. Nesse modo, todos dispositivos nessa rede são

34 3.1 Infravermelho 21 capazes de se comunicar com todos demais, pois não existe um dispositivo responsável pela distribuição das informações. Já no modo BSS, existe um ou mais pontos de acesso, esses pontos de acesso são responsáveis por repassar os dados (quadros) aos clientes dentro de sua área de cobertura. Não somente isso, esses pontos de acesso são os responsáveis pela associação de novos clientes em sua rede, assim como tratar da segurança da informação que trafega na mesma. Uma rede BSS é identificada por sua SSID 1, que é composta por um código hexadecimal de 48-bits, cada BSS deve ter um SSID único, geralmente é utilizado o endereço MAC do ponto de acesso. Já no modo IBSS, a primeira estação que gera aleatoriamente o SSID. A flutuação é possível no BSS com mais de um ponto de acesso, devido ao compartilhamento de um novo SSID chamado ESSID, permitindo assim um dispositivo mudar de uma área a outra. 3.1 Infravermelho Utilizado como comunicação de curto alcance entre periféricos de computadores, notebooks e PDAs. O uso mais comum do infravermelho está nos controles remotos. Seu alcance é de 2 m ou menos, com uma taxa de transferência lenta quando comparada a outras tecnologias. De acordo com Diviney (2003), a principal aplicação do infravermelho é transferência de dados e sincronização, seu funcionamento é baseado no conceito mestre/escravo 2 sobre uma conexão Half-Duplex, ou seja apenas um dispositivo pode transmitir esse meio em determinado espaço de tempo. Outro requisito do infravermelho é o campo de visão do dispositivo; para que uma conexão seja estabelecida com sucesso os dois dispositivos devem estar dentro de um cone de raio igual a 15, como ilustrado na Figura 10. Figura 10: Campo de visão e alcance de dispositivos Infravermelhos Os dispositivos infravermelhos podem sofrer interferência a partir de determinadas situa- 1 do inglês Service Set Identifier, ou seja, Identificação de Conjunto de Serviço 2 também utilizado primário/secundário

35 3.2 Bluetooth 22 ções como: luz solar, luz fluorescente e outros dispositivos infravermelhos. O dispositivo primário é o responsável por negociar a conexão, gerenciar o processo de transferência, assim como estabelecer o fluxo de dados e é responsável pelo tratamento de erros. As taxas de transferência desses dispositivos podem variar de 115Kbps até 1.2Mbps 3.2 Bluetooth Baseado no padrão , cujo foco está em WPANs. O padrão está dividido em quatro grupos e o grupo de interesse é o grupo 1, por isso do , no qual o interesse está em WPANs e Bluetooth. O Grupo 1 é responsável por designar a camada física e a especificação de controle de acesso intermediário. Bluetooth é capaz de conectar vários dispositivos de forma segura e de baixo custo através de frequências de radio de curto alcance. Todos dispositivos que utilizam essa tecnologia possuem um microchip de baixo custo embutido, capaz de se comunicar a uma distancia de até 100m dependendo da classe de energia. Existem três classes de energia e cada classe provê um alcance; A classe 1 fornece um alcance de 1m, classe 2 10m e classe 3 100m. Essa tecnologia é utilizada como substituta de cabos para transferência de dados e voz. Como descrito em IEEE (2005), o método de segurança entre dois dispositivos se comunicando via Bluetooth, é conhecida como emparelhamento. Esse método ocorre quando uma relação de confiança é estabelecida por meio de uma chave de segurança, essa chave de segurança é compartilhada entre os dois dispositivos. Com essa chave compartilhada os dados transmitidos podem ser codificados, limitando o acesso a essa informação, apenas para os dispositivos que possuem a chave. O algoritmo utilizado para o funcionamento dessas chaves é o SAFER+, e para a codificação é utilizado E0 Stream Cypher. Para Carpenter (2006), outra questão que pode ser citada, são os perfis. Podendo ser considerada outra medida de segurança, um dispositivo somente é capaz de se comunicar com outro, se ambos trabalharem com o mesmo perfil. Alguns perfis que pode ser citados são: distribuição avançada de áudio, controle remoto de áudio e vídeo, perfil básico de imagens, perfil básico de impressão, perfil de telefone sem fio, perfil de mãos livres, perfil de fones de ouvido, etc. Assim como infravermelho, bluetooth também utiliza o conceito mestre/escravo, mas diferentemente de infravermelho que somente é capaz de se comunicar com um dispositivo por vez, o bluetooth é capaz de se comunicar com até 7 escravos por vez, representado na Figura 11. Essa rede formada por um mestre e 7 escravos é também conhecida como Piconet, um detalhe dessa rede é que o mestre não é necessariamente sempre o mesmo dispositivo, um dispositivo

36 3.2 Bluetooth 23 pode em um instante ser o mestre e no próximo instante ser escravo. Figura 11: Representação de uma Piconet Ainda no padrão IEEE (2005), é descrito que essas piconets podem se conectar por pontes, quando várias piconets se conectam, temos o que é chamado Scatternet, Figura 12. As informações trocadas entre dispositivos em uma mesma piconet são: nome do dispositivo, classe do dispositivo, lista de perfis, informações adicionais e em alguns casos sua identificação única. Para endereçamento, geralmente é utilizado o nome do dispositivo e não sua identificação única. Essas comunicações geralmente têm uma taxa de transmissão de 720Kbps. Figura 12: Representação de uma Scatternet Essa tecnologia trabalha na faixa de 2.4GHz e para evitar interferências, ele utiliza o método de modulação de sinal chamado Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), seu funcionamento faz com que a cada transmissão de pacote, o dispositivo muda de frequência, ou seja, em uma taxa de transmissão de 720Kbps ocorrem 1600 envios por segundo em 79 canais distintos, que equivale ao envio de um pacote enviado em um canal diferente a cada 625µs. A comunicação desses dispositivos ocorre assincronamente por meio de links sem conexão, ou seja, a informação é transmitida, sem que ocorra um estabelecimento de sessão ou conexão.

37 3.3 ZigBee 24 A comunicação consiste de 3 estágio. No primeiro estágio, o dispositivo procura por outros dispositivos à sua volta. Após esse estágio, ocorre a requisição das informações citadas anteriormente. Por fim é estabelecida uma conexão ponto a ponto, essa conexão pode ser subdividida em 5 outros estados. O padrão definido em IEEE (2005) descreve os cinco estados: O estado de Sniff, é um estado de baixo consumo de energia, onde ocorre uma verificação periódica de requisição de transmissão. No modo Hold, o dispositivo mantém a conexão, mas é capaz de executar outras tarefas. Em modo Park, o dispositivo se mantém conectado à piconet, mas libera recursos para outros dispositivos em modo Active, nesse modo, o dispositivo está ocupando uma posição 3 na piconet e por fim o modo Standby, onde não existe nenhum outro dispositivo conectado a sua volta. 3.3 ZigBee Derivado de um padrão também incluído no grupo da IEEE , porém em um subgrupo diferente ao do Bluetooth, os padrões do ZigBee estão baseados nos padrões do subgrupo 4 da IEEE, ou seja, nas especificações Esse grupo trata das tecnologias de curto alcance com bateria de vida longa. De acordo com Carpenter (2006), essa tecnologia é muito difundida nos sistemas de automação e controle/monitoração. Assim como bluetooth, é uma tecnologia sem fio, de baixo custo e baixo consumo de energia. Algumas das diferenças entre essas duas tecnologias é que ZigBee utiliza baterias de longa duração, tem um custo inferior ao Bluetooth, sua utilização é mais simples, e o alcance mínimo vai de 1 a 100m. Trabalha em apenas 3 modos: Active, Transmitting/Recieving e Sleeping. Alguns modos podem ser relacionados com modos do Bluetooth, onde Active tem a mesma função e mesmo nome, Sleeping e StandBy são similares e Transmitting/Recieving é o modo onde o dispositivo ou está transmitindo ou está recebendo informações. Essa tecnologia trabalha em redes MESH 4, e pode ter até nós, porém não interoperáveis com outras tecnologias como Infravermelho ou Bluetooth. No padrão definido por IEEE (2007a), pode-se identificar diferentes especificações para co- 3 Em uma piconet é possível ter apenas 8 dispositivos em modo Active e 248 em modo Park totalizando um máximo de 256 dispositivos, na Figura 11 os dispositivos em tonalidade mais escura estão em modo Active e o mais claro em modo Park 4 rede onde todos dispositivos possuem uma conexão ponto a ponto com todos outros dispositivos da rede

38 3.4 Escolha das tecnologias aplicáveis ao escopo do trabalho 25 municação ZigBee de acordo com o país/continente. Na Europa é utilizada a faixa de 868.3MHz, que possibilita uma taxa de transmissão de 20Kbps e apenas 1 canal de transmissão. Nas Américas, a faixa utilizada é a de 902 à 928MHz com uma taxa de 40Kbps e 10 canais disponíveis. E em todo globo a faixa utilizada é a de 2405 à 2480MHz com uma taxa de transmissão de até 250Kbps com 16 canais de transmissão possíveis. As redes ZigBee são compostas por três tipos diferentes de dispositivos como definido por IEEE (2006): os Coordenadores ZigBee (ZC) 5, cuja funcionalidade está na interconexão de sub-redes ZigBee, formando pontes entre Roteadores ZigBee. Os Roteadores ZigBee (ZR) são os responsáveis pela troca de informações entre um dispositivo ZigBee e outro. Por fim os Dispositivos Finais ZigBee (ZED), tais dispositivos são apenas capazes de se comunicar com seu nó pai 6, um exemplo de rede ZigBee está ilustrado na Figura 13. Figura 13: Representação de uma rede ZigBee Mesmo com certas limitações, essa tecnologia é muito difundida em trabalhos e pesquisas relacionados à automação. Por sua facilidade de implantação e configuração, é considerada como viável para utilização no contexto deste trabalho. 3.4 Escolha das tecnologias aplicáveis ao escopo do trabalho Para a escolha das tecnologias, foi levado em consideração que existem duas situações que exigem comunicação: a primeira, que é a comunicação entre os sensores e o veículo (monitoramento); e a segunda, que ocorre entre o veículo e o servidor (reportagem do estado do ambiente e verificação de requisições de tarefas sob demanda). Das tecnologias analisadas, por necessitar de certa precisão para o estabelecimento de comunicação entre o veículo e os sensores, Infravermelho não se mostra adequada ao escopo do 5 Cada rede ZigBee pode conter apenas 1 Coordenador ZigBee 6 geralmente os ZEDs estão conectados à ZRs, porém pode-se encontrar ZEDs conectados à ZCs

39 3.5 Considerações deste capítulo 26 trabalho, logo está descartada. Porém, tanto ZigBee quanto Bluetooth apresentam características e funcionalidades similares, o que deixa ambas tecnologias como candidatas à utilização no trabalho, uma comparação mais detalhada pode ser observada na Tabela 1. Tabela 1: Comparativo entre as tecnologias Bluetooth e ZigBee de acordo com BSIG (2009a), Baker (2005), Wexler (2009), Kooker (2008) Bluetooth ZigBee Taxa de Transferência 1Mbps - 3Mbps 25Kbps - 250Kbps Alcance 1m, 10m e 100m 10m - 100m Consumo de Energia 0.1 W/h 0.03 W/h Espectro 2.4 GHz 2.4 GHz, 915MHz e 868MHz Complexidade Complexo Simples Tempo de Autenticação 3s 30ms Topologias de Rede Ponto a ponto e estrela Ponto a ponto, estrela e mesh Segurança (Criptografia) 128-bit 128-bit Duração de Bateria Dias - Meses Meses - Anos Custo US$3,00 US$2,00 É considerada a possibilidade de utilização de uma dessas duas tecnologias, ou ainda, dependendo da viabilidade, o uso das duas combinadas, tanto para a comunicação sensores/veículo, quanto para veículo/servidor. Essa escolha dependerá dos desafios apresentados na validação e de qual tecnologia se mostra mais adequada visando suprir as necessidades da validação. 3.5 Considerações deste capítulo Neste capítulo foram analisadas tecnologias de comunicação sem fio, visando identificar as que atendem as necessidades do trabalho apresentadas no capítulo 1. A análise feita com base nas especificações técnicas e comparações entre tecnologias, deixa duas possíveis tecnologias como candidatas Bluetooth e ZigBee. Para a validação do trabalho foram adquiridos três módulos XBee, que utilizam a tecnologia ZigBee para a comunicação. Esses módulos serão utilizados para efetuar a comunicação do veículo com os sensores do ambiente, como também serão utilizados na comunicação entre o veículo e o servidor. Foi eleito o ZigBee, pois era o mais acessível em termos de custo, além de atender os requisitos de alcance, possuir um consumo de energia inferior ao Bluetooth (ideal para sensores) e ser de fácil utilização. No próximo capítulo, serão discutidas as questões relacionadas do veículo. Será abordado o histórico dos dispositivos eletrônicos, e o que será utilizado para agregar funcionalidades ao

40 3.5 Considerações deste capítulo 27 mesmo. Posteriormente no capítulo 5, serão tratadas as questões de comunicação, armazenamento de informações e atuação nos componentes de locomoção.

41 28 4 Características de um veículo automatizado Ao tratarmos de veículos automatizados, os mais encontrados são os veículos automatizados guiados (AGV 1 ), muito utilizados em indústrias. De acordo com HK-Systems (2006), AGVs são máquinas autônomas controladas por um sistema computacional que tem como objetivo aperfeiçoar o movimento em aplicações simples ou complexas. São uma tecnologia altamente flexível que opera seguramente em ambientes povoados e onde as fontes e destinos de movimento são dinâmicos. Esses sistemas utilizam a realimentação durante o trajeto, o que os torna aptos a identificar com certa precisão sua localização, auxiliando assim que seu destino seja alcançado. Neste trabalho, esta problemática não foi tratada, sendo que o foco está na coleta das informações do ambiente, assim como na comunicação entre os dispositivos. Assim, fica definido por questões do escopo do trabalho e tempo disponível para a realização do mesmo, que a trajetória será definida de forma estática. Neste capítulo serão analisados alguns pontos históricos que tornaram tais tecnologias possíveis, assim como as tecnologias utilizadas para o desenvolvimento deste trabalho. Serão também tratadas questões mais específicas quanto ao veículo e ao projeto desenvolvidos. 4.1 Componentes básicos Quando o termo Dispositivo Móvel é citado, os primeiros dispositivos que são associados são: o telefone celular, smartfone e o PDA. O motivo de tal associação, se dá graças a uma classificação mais geral, como pode ser observado em Gansemer, Groner e Maus (2007), porém, existem muitos dispositivos se enquadram nessa classificação, geralmente os dispositivos móveis são dispositivos que possuem algum tipo de processamento interno e, tamanho suficientemente pequeno a ponto de possibilitar seu deslocamento com facilidade. 1 Automated Guided Vehicles

42 4.1 Componentes básicos 29 Além do telefone celular, o smartfone e o PDA, outros dispositivos móveis presentes em nosso cotidiano, como também observado por Ballard (2006), podem ser destacados, entre eles temos: calculadoras, relógios, agendas e organizadores pessoais. Esses são apenas alguns dos exemplos de dispositivos que passam despercebidos, mas possuem grande funcionalidade. Com intenção de auxiliar no dia-a-dia, cada vez mais, os objetos a nossa volta vem ganhando novas funcionalidades e, em muitos casos, certa inteligência. Isso está se tornando realidade graças às placas de circuito integradas e aos sistemas embarcados. O principal fator que possibilitou a criação de tais dispositivos, foi o grande avanço da ciência no desenvolvimento e aperfeiçoamento de componentes eletrônicos. O componente mais importante para que a tecnologia se desenvolvesse até o ponto atual é o transistor. De acordo com Haviland (2002), o transistor é um dispositivo eletrônico de estado sólido, com três terminais. Em um dispositivo com três terminais é possível controlar a corrente elétrica ou a voltagem entre dois terminais aplicando uma corrente elétrica ou voltagem ao terceiro terminal. Esse dispositivo é oque possibilita a amplificação de sinal igual à amplificação utilizada nos rádios atuais. Também é possível criar chaves elétricas, que podem ser controladas por outra. Ao utilizar essas chaves em cascata 2, é possível desenvolver circuitos lógicos de alta complexidade. Em 1947, John Bardeen e Walter Brattain, que trabalhavam na Bell Telephone Laboratories, ao estudar o comportamento de elétrons entre um metal e um semicondutor, descobriram que ao fazer dois pontos de contato bem próximos um ao outro, era possível criar um dispositivo de três terminais, hoje conhecido como o primeiro transistor de ponto de contato. Uma parceria com William Shockley, lhes deu o premio Nobel em física em 1956, por suas pesquisas com semicondutores e a descoberta do efeito transistor (HAVILAND, 2002). Apesar de um transistor ocupar menos espaço e consumir menos energia que seu predecessor, o tubo de vácuo, com o aumento da complexidade dos circuitos 3, surge uma nova necessidade. Em 1958 e 1959, Jack Kilby da Texas Instruments e Robert Noyce da Fairchild Camera, solucionaram tal problema através da criação do circuito integrado. Ao invés de fabricar um transistor por vez, vários poderiam ser fabricados no mesmo pedaço de semicondutor. Invenção que rendeu a Jack Kilby o premio Nobel de física em A tecnologia vem se desenvolvendo muito rapidamente ao decorrer das décadas. Como previsto por Moore (1965) e confirmado por ele em 2003, o crescimento de transistores em microprocessadores é extremamente rápido. Este desenvolvimento só é possível pela redução 2 chaves que controlam chaves que controlam chaves, etc. 3 construídos sobre em placas de circuito impresso em conjunto à outros dispositivos

43 4.1 Componentes básicos 30 dos custos dos componentes no mercado. Figura 14: Lei de Moore (MUSEUM, 2009a) Com este crescimento dos transístores, podemos afirmar que esta tecnologia é algo importante e essencial em nosso dia-a-dia. Sendo assim, a encontramos em quase tudo a nossa volta e, visando maior conforto e tranquilidade, podemos então usufruí-la de forma a nos auxiliar em tarefas antes difíceis. Esses componentes eletrônicos estão presentes na maior parte dos dispositivos que possuem algum tipo de processamento. Entre tais tecnologias, encontram-se os sensores, que de acordo com Petruzzellis (1994) são geralmente compostos por amplificadores e transístores. O aumento de transistores representado na Figura 14, no caso dos computadores, indica uma capacidade maior de processamento em um espaço físico que antes possuía uma capacidade menor, o que nos leva a um crescente número de dispositivos miniaturizados a tal ponto, que se tornam passíveis de mobilidade. Tais dispositivos trazem grandes funcionalidades combinadas, visto que temos uma alta capacidade de processamento em um pequeno espaço físico necessário. Dispositivos móveis são dispositivos que possuem um sistema embarcado e mobilidade. Sistemas embarcados são compostos por uma combinação de hardware, software e as vezes outras partes(netrino, 2009). Estes sistemas embarcados podem ser encontrados em uma grande variedade de equipamentos como por exemplo: Forno de micro-ondas, Calculadora, Aparelho Celular, Controle Remoto, Carro de Controle Remoto, Palm, etc. Como os dispositivos móveis são capazes de executar tarefas e rotinas pré-programadas, onde algumas podem ainda serem reprogramadas, podemos utilizar estes dispositivos para executar tarefas em lugares onde não estamos presentes fisicamente.

44 4.2 Requisitos e Tecnologias 31 Figura 15: Gama de dispositivos móveis e os tipos de aplicativos que executam (BANERJEE, 2008) Dentro deste continuum de dispositivos móveis, o dispositivo proposto neste trabalho está classificado juntamente com os dispositivos, mais precisamente na mesma classificação dos dispositivos personalizados incorporados. O uso da rede mundial de computadores e de dispositivos móveis é algo comum. Todos os dias nos relacionamos direta ou indiretamente com essas tecnologias, com isso, tais tecnologias podem nos auxiliar trazendo mais conforto e tranquilidade. Nos capítulos anteriores foram abordados conceitos e protocolos envolvendo monitoração de ambientes e redes sem fio, essas discussões anteriores servem como guias de pré requisitos para o veículo que será eleito para implementação. Dentro deste contexto, é possível verificar que a capacidade tecnológica da maioria dos dispositivos está cada vez mais abrangente e compacta, isso possibilita o desenvolvimento de aplicações e dispositivos que agregam funcionalidades com maior facilidade. Neste trabalho foram utilizadas placas de circuito impresso com circuitos integrados programáveis para automatizar o veículo e realizar tanto a comunicação quanto a coleta de dados, o que apenas é possível graças à essa evolução tecnológica. 4.2 Requisitos e Tecnologias Antes de analisar as possíveis tecnologias para o veículo, uma rápida discussão se faz necessária. Com relação à movimentação nada havia sido levantado até este ponto do trabalho

45 4.2 Requisitos e Tecnologias 32 porém, como não é o foco tratar desse desafio e sim do monitoramento, apenas as questões básicas como deslocamento e rotação serão tratadas. Em um primeiro momento, dá-se a problemática do equilíbrio, o que elimina a possibilidade de ser um veículo de uma ou duas rodas, restando assim três e quatro rodas como opção. No caso da utilização de três rodas (equivalente aos triciclos 4 ), a questão de rotação se torna muito mais simples 5 que quando comparado com a utilização quatro rodas, logo esse foi o ponto decisivo para eleger o modelo em três rodas como principal. No Capítulo 1, o veículo foi descrito como um dispositivo capaz de capturar informações, processá-las e executar tarefas vinculadas às informações capturadas. Com essas descrições, é possível agora elencar seus requisitos auxiliando assim a seleção da tecnologia mais adequada. No capítulo 3, foram definidas as tecnologias de comunicação, ZigBee e BlueTooth, portanto deve ser capaz de utilizar pelo menos uma delas; por ser um veículo, deve ser capaz de utilizar motores para realizar sua locomoção; e por fim vem a questão do baixo custo. Primeiramente, foram analisadas as questões custo e compatibilidade com as tecnologias eleitas como demonstrado na Tabela 2: Tabela 2: Custos de placas de circuito impresso e seus módulos Nome Open Source Custo Base Modulo BT Custo BT Modulo ZB Custo ZB Modulo Motores Custo Motores Arduino Sim US$30,00 Sim US$149,95 Sim US$79,95 Sim US$19,50 PICAXE Sim US$47,55 Não - Sim US$22,24 Sim US$14,09 Blueroomelectronics Sim US$35,99 Não - Não - Sim US$134,90 BasicX Não US$51,95 Não - Não - Sim US$24,95 BasicATOM Sim US$53,45 Não - Não - Sim US$24,95 Pololu Orangutan Não US$59,95 Não - Não - Sim US$24,95 Após esse levantamento, foi constatado que apenas duas dessas placas contemplam todos ou a maioria dos requisitos do trabalho, a PICAXE e Arduino. Com isso, um segundo levantamento foi feito analisando outras características, sendo elas: Capacidade de utilização de sensores e atuadores visando o monitoramento de ambientes, e expansibilidade, ou seja capacidade de alteração no hardware de acordo com a demanda do trabalho proposto. Com o PICAXE (2009), foram encontradas poucas possibilidades de alteração no hardware, e o suporte a utilização de sensores e atuadores ocorre via módulos adicionais. Já no Arduino (2009), o suporte a sensores e atuadores é nativo e sua expansibilidade é composta por uma vasta gama de possibilidades, o Arduino (2009) conta com uma extensa comunidade, que está sempre desenvolvendo novas possibilidades de expansões, enquanto o PICAXE (2009) tem seu foco apenas para fins introdutórios à eletrônica. Portanto para a utilização neste trabalho, será utilizado o Arduíno como dispositivo responsável pelo veículo. 4 composto por um eixo com duas rodas atrás e uma só roda na frente 5 problema abordado no Capítulo 5

46 4.3 Arduino Arduino O projeto Arduino, é uma plataforma de prototipagem de eletrônicos código-aberto, que tem como principal objetivo ser flexível e de fácil utilização tanto na parte de hardware quanto software. Em Arduino (2009) 6, algumas das principais funcionalidades são elencadas, e entre elas, existe uma grande destaque quanto à sua capacidade de monitoramento e atuação. É um dispositivo que trabalha com um microcontrolador programável, onde sua linguagem de programação é baseada na linguagem wiring e o ambiente de desenvolvimento baseado em processing. De acordo com Arduino (2009), as placas podem ser construídas à mão ou compradas pré montadas, como na Figura 16, e o software necessário para sua programação é disponibilizado gratuitamente. Os arquivos contendo os designs de referência do hardware estão disponibilizados sob um licença open-source, tornado-o assim livre para modificações de projeto. O Arduino recebeu uma menção de honras na sessão de comunidades digitais da Ars Electronica Prix em Figura 16: Arduino Duemilanove (ARDUINO, 2009) Apesar de ser um projeto livre para modificações, para comercialização, o nome Arduino está patenteado e sob proteções legais. Sendo assim, é comum encontrar muitas variações de nome, porém, com o mesmo hardware, pois assim as pessoas com mais habilidades ou experiência em fabricação de eletrônicos possam vender a placa já pré-montada. Alguns exemplos dessas variações são: severino, freeduino, arduclema, flexi, leduino, seeduino, etc. Em Arduino (2009), são detalhadas várias versões e modelos do Arduino, porém, o modelo mais acessível é o Arduino Duemilanove ( 2009 ). Esse modelo possui uma placa baseada nas 6 site oficial de divulgação do projeto

47 4.3 Arduino 34 especificações técnicas dos microcontroladores ATmega168 e ATmega328, contendo na placa os itens descritos na Tabela 3. Tabela 3: Dados técnicos do Arduino (ARDUINO, 2009). Microcontrolador ATmega168 ou ATmega328 Voltagem de operação 5V Voltagem de entrada (recomendada) 7-12V Voltagem de entrada (limites) 6-20V Pinos E/S Digitais 14 (dos quais 6 possibilitam saída PWM) Pinos de entrada Analógicos 6 Corrente Contínua por pino de E/S 40 ma Corrente Contínua para pino de 3.3V 50 ma Memoria Flash 16 KB (ATmega168) ou 32 KB (ATmega328) dos quais 2 KB são usados pelo bootloader SRAM 1 KB (ATmega168) ou 2 KB (ATmega328) EEPROM 512 bytes (ATmega168) ou 1 KB (ATmega328) Velocidade de Clock 16 MHz O Arduino pode utilizar como fonte de energia, tanto uma conexão USB quanto uma fonte externa. para fonte externa, pode ser utilizado um adaptador AC/DC ou uma bateria de 9V. De acordo com Arduino (2009), apesar de poder operar com uma fonte externa variando entre 6 e 20 volts, caso a voltagem fornecida seja inferior a 7V, a placa pode se tornar instável, e caso seja superior a 12 volts, o regulador de voltagem pode superaquecer e danificar a placa. A memória depende do microcontrolador acoplado à placa, o ATmega168 tem 16 KB de memória flash para armazenamento de código (dos quais 2 KB são utilizados pelo bootloader); o ATmega328 tem 32 KB, (que também possui 2 KB usados para o bootloader). O ATmega168 tem 1 KB de SRAM e 512 bytes de EEPROM (que pode ser utilizada para leitura e escrita de informações); no ATmega328 são 2 KB de SRAM e 1 KB de EEPROM. Para entrada e saída 7, todos 14 pinos digitais podem ser utilizados. Os pinos operam a 5V, sendo que cada pino pode receber um máximo de 40mA, alguns pinos possuem funções especiais que serão avaliadas conforme a necessidade do trabalho. Para auxiliar a expansão do Arduino, são desenvolvidos vários Shields, que são placas que podem ser acopladas ao Arduino, estendendo sua funcionalidade para controle de dispositivos, aquisição de dados, etc.. Como exemplos de Shields temos: 7 entradas serão utilizadas para leitura de sensores e saídas para uso de atuadores

48 4.3 Arduino 35 Figura 17: (a) Xbee Shield - Permite que o arduino se comunique através de ZigBee. (b) Motor Shield - Auxilia o controle de motores DC. (c) Ethernet Shield - Possibilita comunicação ethernet. (ARDUINO, 2009) Quanto à implementação, o veículo terá como tarefas: verificação de sensores, análise de situações críticas ou de demanda e executar um dos percursos pré-programados. Em mais detalhes, a verificação de sensores e a análise de situações críticas andam em conjunto, pois em sua programação, o veículo deve ser capaz de identificar uma situação crítica e, quando identificada tomar uma providência também já pré-programada 8. Por fim, pode existir um ou mais percursos pré-programados 9 que, dependendo da situação, o dispositivo deve executar. Para o veículo cumprir completamente tais tarefas, ele deve ser capaz de se locomover e alterar a direção. O projeto do veículo automatizado foi então definido como: uma combinação de um dispositivo para acionar os motores e com isso tratar da locomoção do veículo, com os sensores responsáveis pela coleta de dados. Para a locomoção, foi utilizado um veículo com dois motores, como representado na Figura 18. Figura 18: Representação do veículo definido no projeto. Assim, o motor frontal define a direção e o motor traseiro a movimentação (sentido), sendo que tanto o acionamento dos motores quanto a coleta de dados através dos sensores, são tratados 8 não será utilizado nenhum tipo de Inteligência Computacional para decisão de providência 9 não será utilizado nenhum tipo de Inteligência Computacional para decisão de caminho

49 4.4 Considerações deste capítulo 36 pelo Arduino, através de sua programação. O desenvolvimento e a validação do projeto serão tratados em mais detalhes no capítulo 5 em conjunto com os testes. 4.4 Considerações deste capítulo Neste capítulo, foi tratado o surgimento dos dispositivos móveis e sua contextualização, os requisitos do veículo tratado no trabalho, quais componentes contemplam tais requisitos e por fim um componente/dispositivo foi eleito com base na discussão levantada ao final da sessão 4.2 deste capítulo. Para a validação do trabalho, foram adquiridos dois Arduinos Duemilanove 328, um Arduino Mega 1280 e um Freeduino 168. Os Arduinos 328 e o Freeduino, serão utilizados ou para coleta de dados, ou para a comunicação do veículo com o servidor, e o Arduino Mega utilizado no veículo devido à sua maior capacidade de armazenamento. Entretanto, o trabalho poderia ser validado com quatro iguais de qualquer modelo, essa distinção foi feita de para ilustrar a demanda de cada elemento do trabalho, ou seja, o veículo exige mais recursos que os módulos sensores que por fim exigem mais recursos que o módulo acoplado ao servidor. Em conjunto foram adquiridos três shields XBee e três módulos XBee-Pro da MaxStream. Tais módulos tem como finalidade promover a comunicação dos sensores com o veículo e do veículo com o servidor. No próximo capítulo, será discutida a questão da validação do trabalho descrevendo como foi realizada cada etapa do projeto. As etapas estão divididas entre o desenvolvimento do veículo; o tratamento dos dados coletados e da comunicação entre os dispositivos, assim como a programação dos mesmos; por fim os resultados dos ensaios e coleta de dados.

50 37 5 Validação e testes Na primeira sessão serão discutidos possíveis cenários, sendo que um será eleito para validação. Este capítulo aborda as questões de: caminho, sensoreamento, atuação, ambiente e tratamento de informações. O ambiente, já definido como residencial, foi validado em um ambiente de menor escala, um ambiente com dois cômodos fictícios. Esse ambiente, foi considerado como uma representação de uma residência, fornecendo assim um cenário que possibilite a representação de diferentes condições e situações em ambientes distintos. 5.1 Definição dos Cenários Quanto ao sensoriamento (coleta de informações), três possibilidades haviam sido levantadas no plano do trabalho. Essas possibilidades estão representadas nas Figuras 19, 20 e 21, discutidas a seguir. Figura 19: Cenário utilizando apenas redes a sensores Nesse cenário, não existe utilização de um veículo, apenas sensores são utilizados, fator que restringe a coleta de dados a apenas a área ao redor do sensor. Para a implementação desse tipo de abordagem, se faz necessária a utilização de equipamentos específicos que apresentam

51 5.1 Definição dos Cenários 38 custo elevado devido aos requisitos tecnológicos necessários para seu desenvolvimento. Uma abordagem mais próxima à realidade inicial do trabalho era onde é apenas utilizado o veículo para fazer a coleta das informações. Figura 20: Cenário utilizando apenas o veículo Dessa forma o veículo é responsável pela monitoração de cada ambiente sem o auxilio de dispositivos separados fisicamente dele. Esse cenário era o mais próximo do possível, pois ainda não haviam sido adquiridos os hardwares necessário para utilização de sensores distribuídos pelo ambiente. Para a validação foi utilizado o cenário que combina os dois anteriores, sendo que dessa forma a coleta de informações fica mais completa, pois nesse terceiro cenário, o veículo coleta no caminho o que os sensores não coletam e os sensores coletam no ambiente os dados que o veículo não coleta quando ausente, com isso, tanto o veículo quanto os sensores se tornam complementares com relação à variedade de informações coletadas. Figura 21: Cenário utilizando o veículo e sensores pré-dispostos no ambiente (almejado)

52 5.1 Definição dos Cenários 39 O veículo, nesse cenário, percorre o trajeto coletando as informações armazenadas nos sensores executando toda sua rotina pré-programada. Nesse cenário, a monitoração se torna mais precisa, pois no cenário da Figura 20, o dispositivo perde as informações de determinado ambiente na sua ausência devido a falta de sensores nos locais para coletá-las. Sendo assim, o cenário adotado para validação segue os as definições da Figura 21, porém foi utilizado um ambiente semelhante ao representado na Figura 22. Figura 22: Representação do ambiente utilizado para validação Para a validação foi utilizado um ambiente constituído de dois sensores, onde cada sensor representa um comodo da residencia, e um servidor para despejo dos dados coletados ao longo da rota. Os dados são tratados durante a trajetória logo após sua coleta e posteriormente pelo servidor. Em sua trajetória, logo após a coleta, as informações são analisadas com base na programação do dispositivo visando encontrar situações críticas, para que então o dispositivo altere sua rotina para um modo de aviso imediato. Nesse modo o dispositivo interromperá sua rotina usual e se direcionará diretamente ao servidor para notificação. Caso não ocorra nenhuma situação critica em toda sua trajetória, ao retornar ao servidor as informações devem ser descarregadas. Para a validação, foi seguida uma linha similar à organização do texto, ou seja, primeiro foi verificada a questão do veículo em si (sua programação e utilização), em seguida foram analisadas as questões de monitoração (utilização de sensores acoplados ao dispositivo) e atuação (utilização de atuadores acoplados ao dispositivo). Uma vez verificadas tais questões, foram

53 5.2 Desenvolvimento do veículo 40 analisadas a utilização de motores e redes sem fio. Por fim, foi efetivada a comunicação com o servidor. 5.2 Desenvolvimento do veículo Continuando a discussão levantada na sessão 4.2 a respeito do dispositivo e sua locomoção, apesar de ser muito mais simples utilizar um triciclo por sua facilidade em curvas 1, ele requer que um protótipo seja manufaturado, o que levanta uma problemática que não compete a este trabalho, pois seria necessário tratar da criação de uma estrutura, eixos entre outros. Sendo assim, foi utilizado um carrinho de controle remoto apresentado na Figura 23, onde será somente aproveitada sua carcaça e seus motores. Todo o resto 2 será tratado através da programação do arduino, ou seja, o circuito original que controlava o carrinho foi descartado. Figura 23: Carro de controle remoto utilizado no projeto Ainda assim, para conseguir atuar nos motores e fazer o veículo se deslocar ou alterar a rota, é necessário um intermediário, um circuito entre o Arduino e os motores. Mas antes de entrar nos detalhes desse intermediário, uma breve análise sobre motores deve ser feita Motores No mercado, existe uma variedade muito extensa de motores, geralmente cada tipo de motor está relacionado diretamente à sua aplicação. As áreas de aplicação em que este trabalho pode ser classificado são: automação residencial, robótica e mecatrônica. Sendo assim, a gama de motores é bem menor. De acordo com Braga (2005), os motores mais comuns para utilização 1 Pois possibilita que o veículo pare e vire 90 antes de seguir sua rota 2 Controle do acionamento dos motores de direção e movimento

54 5.2 Desenvolvimento do veículo 41 em mecatrônica são os motores de passos e motores de corrente contínua. Em adição aos motores elencados por Braga (2005), também são encontrados nessas áreas os servo motores. Para entender os comparativos entre os motores, é necessário conhecer alguns dados e conceitos. Durante esta sessão do texto, muitos conceitos e termos de eletrônica serão mencionados, necessitando assim um melhor entendimento. Beasant (1985), define eletrônica como o estudo do controle de pequenas correntes elétricas. De acordo com Mundim (1999) e Beasant (1985), as correntes elétricas são constituídas do fluxo de cargas ou pequenas partículas (os elétrons) por meio de um material condutor. Esse fluxo ocorre quando uma diferença de potencial é aplicada em um material condutor gerando corrente. Os três principais elementos da corrente são a Tensão (V) a Corrente (i) e a Resistência (r) onde através da fórmula V = r.i, quando conhecidos dois elementos, pode-se obter o terceiro. Tensão (Volt): Indica a diferença de potencial entre os polos positivo e negativo Corrente (Ampere): Indica a quantidade de elétrons passantes em determinado ponto do circuito Resistência (ohm): Reduz a intensidade da corrente ou reduz a tensão As correntes podem ter duas classificações: corrente alternada, que flui nos dois sentidos várias vezes por segundo, tendo como exemplo a corrente da rede elétrica residencial disponibilizada nas tomadas; e a corrente contínua que flui em um único sentido, encontrada em baterias, pilhas, fontes, carregadores, etc. Nesse trabalho, será utilizada apenas corrente contínua, pois o principal elemento, o arduino, necessita desse tipo de alimentação, assim como os motores classificados anteriormente. Entretanto, existirá a necessidade de uma alimentação externa sendo que, ao levantar seus dados do arduino, temos um comparativo da necessidade dos motores, com o que o arduino pode oferecer e o que uma outra fonte de alimentação pode fornecer como observado na tabela 4: Tabela 4: Comparativo de fornecimento de energia do Arduino, outras fontes externas e requisitos de motores Arduino Fontes Externas (Min-Máx) Requisitos dos Motores (Min-Máx) Tensão (V) 5V 1.2V-12V 1.2V-12V Corrente (A) 4mA ou 0.004A 500mA-2000mA ou 0.5A-2A 500mA-2000mA ou 0.5A-2A Com o carro ainda utilizando seu circuito controlador original, foram coletadas as tensões

55 5.2 Desenvolvimento do veículo 42 dos motores no funcionamento original 3, e sua exigência é de uma tensão variando entre 8V e 9V. Sendo assim, a alimentação externa se faz necessária. Para tal, será utilizado o próprio suporte de alimentação do carro, que consiste em um compartimento para seis pilhas alcalinas do tipo AA de 1.5V cada totalizando 9V. Porém para ser possível controlar essa tensão pelo Arduino, é necessária a utilização de um circuito intermediário que faça esse chaveamento, ligando e desligando o motor e possibilitando a inversão do sentido da corrente 4. Com essa necessidade, um estudo aprofundado de eletrônica foi necessário produzindo uma nova etapa ao trabalho Placa para o controle dos motores Para desenvolver um circuito com tal funcionalidade, muitos componentes foram analisados até se obter o circuito ideal. O primeiro componente analisado foi o relé. Sua função é acionar de uma tensão alta através de uma tensão baixa, geralmente com quatro ou cinco pontos de conexão. O relé tem o funcionamento como o representado na Figura 24, onde em V1 é passada a tensão baixa e V2 ou V2a a tensão alta, sendo que na presença de tensão em V1, a bobina magnética gera um campo que empurra ou puxa a placa de metal alterando o contato do circuito. Figura 24: Funcionamento de um relé, adaptada de Veltzen (1999) Esse componente soluciona parte do problema, o acionamento de uma tensão alta pela utilização de uma baixa, mas traz alguns problemas. Com um relé, não é possível inverter o sentido da corrente, e também, o tempo que a placa leva para alternar entre contatos pode trazer atrasos, sendo assim foi descartado. Dentre outros testados e avaliados, os próximos componentes candidatos foram os transistores. Suas aplicações mais comuns são: amplificação de sinal elétricos e chaveadores elétri- 3 medição necessária pois as especificações técnicas dos motores não foram encontradas 4 inversão necessária para alterar a direção da rotação dos motores, possibilitando os movimentos frente/trás e esquerda/direita

56 5.2 Desenvolvimento do veículo 43 cos 5. Quando utilizados como chaveadores, possuem um diferencial do relé, eles podem cortar a tensão ou liberá-la de acordo com cada modelo de transistor. Os transistores podem ser de dois tipos: PNP e NPN; cuja principal diferença é o material que compõem cada um. De acordo com Hoo (2009) e Electrónica (2009), o transistor é composto pela combinação de dois diodos 6, a união desses dois componentes poderá ser feita de duas formas: união através do material P, para resultando em um transistor NPN e através do material N, para o transistor PNP, como ilustrado na Figura 25. Figura 25: Tipos de transistores e suas polaridades (HOO, 2009) Com esse comportamento, é possível desenvolver um circuito mais complexo que possibilite contemplar os requisitos do trabalho. Tal circuito é conhecido como ponte-h, esse circuito possibilita o acionamento dos motores utilizando alimentação externa e a inversão de sentido. A representação desse circuito é ilustrada na Figura 26 por Braga (2005) Figura 26: Representação de uma ponte-h (BRAGA, 2005) 5 funcionalidade igual à do relé, porém sem atraso 6 componente que impossibilita uma corrente de passar pelo trecho do circuito nos dois sentidos, a forçando a circular em um único

57 5.2 Desenvolvimento do veículo 44 Nessa figura, Q1/Q4 são transistores PNP, Q2/Q3 NPN e associadas às entradas in temos resistores de 10kOhms. As alimentações são: a externa +6 a +18V e a do arduino em in1 e in2. Porém após a construção desse circuito, foi verificado o não acionamento dos motores, pois a sensibilização de Q1 e Q4 não inibia a corrente e para que isso fosse contemplado foi necessário adicionar dois opto-acopladores 7 entre in/q1 e in/q4, que funciona como uma chave digital, possibilitando assim a interrupção de corrente. Para o trabalho foi produzida uma placa de circuito impresso com uma ponte-h (Figura 27), primeiramente para testes, tendo em vista que para sua utilização no projeto são necessárias duas placas, uma ponte por motor. Figura 27: Placa desenvolvida para o trabalho com uma ponte-h Durante os testes, a placa não produzia o efeito necessário nos motores e, após análise, foi constatado que os opto-acopladores não suportam exposição a altas temperaturas por mais que 3 segundos e, sendo assim, após novas pesquisas, foi identificado um componente que contém duas pontes-h integradas. Esta alternativa proporcionou uma otimização em custo e tempo no desenvolvimento de uma nova placa, como indicado na Figura 28. Por fim, apresentou os resultados com sucesso, por ser o mesmo circuito com um custo equivalente e de implementação simplificada. 7 equivalentes aos transistores porém constituídos de foto receptores que quando sensibilizados permitem a passagem de corrente, além de possuírem um adicional que é o isolamento entre as tensões alta e baixa

58 5.3 Desenvolvimento da programação dos dispositivos 45 Figura 28: Placa desenvolvida para o trabalho utilizando um circuito integrado (CI) com duas pontes-h Com o carro operando com todas suas funcionalidades básicas, foi dado início à próxima etapa da validação onde foi tratada a questão da programação dos dispositivos, o que inclui as questões de coleta de informações, configuração da rede ZigBee e a transmissão dos dados. 5.3 Desenvolvimento da programação dos dispositivos Para utilizar o Arduino, é necessário conhecer suas portas de entrada e saída, assim como sua utilização. O Arduino, independentemente do modelo, possui dois tipos de portas genéricas, e dentro desses tipos genéricos existem portas com funcionalidades especiais que de acordo com Arduino (2009) são divididos em: Pinos digitais: Cada pino digital pode ser utilizado como entrada e saída usando a função pinmode, sendo que quando em modo de saída é utilizada a função digitalwrite para o envio e no modo de entrada é utilizada a função digitalread para a leitura. Dentre estes pinos, destacam-se os de funções especiais: Serial (RX e TX): Usados para receber (RX) e enviar (TX) dados TTL 8 seriais. Interruptores externos: Podem ser configurados para acionar interrupções no código através da função attachinterrupt. PWM: Fornecem uma saída de 8-bits acionados pela função analogwrite. LED: Possui um led fixo na placa associado ao pino, quando o pino está com valor HIGH, o led ascende, quanto o valor é LOW, o led apaga. 8 TTL (Transistor Transistor Logic) configuração lógica para transmissão de sinais.(museum, 2009b)

59 5.3 Desenvolvimento da programação dos dispositivos 46 Pinos analógicos: Estes pinos são utilizados apenas como entrada e, cada um possui uma resolução de 10-bits (1024 valores distintos). Por padrão, medem do terra (0V) até 5V, entretanto, é possível mudar o final utilizando o pino AREF e a função analogreference. Alguns pinos analógicos também possuem funções especiais, sendo eles: AREF: Entrada para voltagem de referência para entradas analógicas, usado através da função analogreference. Reset: Colocar esse pino como LOW (ligar diretamente ao terra) para reiniciar o microcontrolador. Sendo assim, para a leitura dos sensores, serão utilizadas as portas analógicas, pois são as únicas que podem ler faixas de valores. Porém, esses dados precisarão ser armazenados de alguma forma, para depois serem enviados para o veículo ou para o servidor. Para tal, será utilizada uma estrutura de dados visando uma melhor organização dos dados para posterior transmissão. Como o envio se dá através da comunicação Serial, e a mesma apresenta restrições como o envio de 1 byte por vez, a precisão dos sensores será reduzida. Para essa adequação dos 10 bits de precisão da porta analógica para 8 bits da transmissão serial, foi utilizada a função map onde são passados como parâmetros o início e o fim da faixa original e o inicio e o fim da faixa de destino. Como sabe-se que 8-bits equivale a valores variando de 0 a 255, a chamada para a função fica como map(valor,0,1023,0,255), onde os parâmetros 2 e 3 da função (0 e 1023) representam a faixa de leitura dos pinos analógicos. Com a leitura dos sensores pronta, agora é necessário identificar os requisitos para a configuração de uma rede de comunicação ZigBee, e também como é feita a transmissão e recepção de dados pelo Arduino para o servidor e para o ZigBee. A troca de informações entre o Arduino e o computador ao qual ele está associado é feita através do chip FTDI FT232RL que utiliza comunicação serial. Quando reconhecido pelo computador, é criada uma porta serial virtual que deve ser selecionada pelo programa de leitura. Por exemplo: porta COM4 Arduino1 e porta COM7 Arduino2. Com a porta definida, para uma conexão bem sucedida, é necessário definir também a taxa de transmissão (baud rate), tanto no software quanto no Arduino 9. Por fim, para a leitura e escrita do Arduino na porta serial, são utilizadas respectivamente as funções Serial.read e Serial.write. De acordo com Digi (2008), os módulos XBee utilizam comunicação serial tanto para transmissão e recepção de dados, quanto para configuração. Para a configuração, o módulo deve 9 para a configuração da taxa no arduino é feita uma chamada para a função Serial.begin(velocidade) que por padrão é 9600

60 5.3 Desenvolvimento da programação dos dispositivos 47 estar em modo de comando AT, esse modo pode ser alcançado tanto por um software capaz de se comunicar utilizando comunicação serial sem envio de caracteres adicionais 10, ou pode ser configurado através do software fornecido pelo próprio fabricante do módulo, o X-CTU. Para utilizar o software do fabricante é necessário deixar o Arduíno em modo Reset e o shield direcionando a comunicação para o chip FTDI 11, essa configuração está ilustrada na Figura 29. Sendo que resumidamente, basta fechar o circuito entre os pinos GND e reset do Arduino, e deixar o jumper mais à borda do shield para o centro da placa e o seguinte para o exterior da placa. Figura 29: Preparando o Arduino e o Shield XBee para configuração com programa X-CTU Após feita essa etapa, basta ligar o Arduino na porta USB do computador e iniciar o X-CTU, escolhendo a porta de comunicação como na Figura alguns softwares enviam o caractere CR após cada entrada serial, impedindo a configuração correta do módulo 11 o posicionamento das chaves ou jumpers pode variar de um shield para outro

61 5.3 Desenvolvimento da programação dos dispositivos 48 Figura 30: Configuração inicial do programa X-CTU Nesse trabalho, são utilizados os dois modos de configuração: primeiramente, com o software X-CTU, para as configurações básicas e, posteriormente, via serial. Para estabelecer uma rede básica XBee, são necessários dois itens: os módulos devem estar na mesma PAN e possuir um destino de envio válido. Essa configuração garante a comunicação entre dois módulos caso os endereços de destino sejam os endereços um do outro. Na Figura 31 temos os dados mais importantes utilizados no trabalho.

62 5.3 Desenvolvimento da programação dos dispositivos 49 Figura 31: Dados mais importantes para estabelecer uma rede e conexão ZigBee A configuração de fábrica foi praticamente inalterada. Abaixo, a Tabela 5 com a configuração básica de cada módulo contemplando o cenário do trabalho. Tabela 5: Configuração básica dos módulos XBee Veículo Servidor Sensor Sensor N PAN ID (ID) Serial High (SH) 13AXXX 13AXXY 13AXXZ... 13AXYX Serial Low (SL) 404CXXXX 404CXXXY 404CXXXZ CXXYX Destination High (DH) 13AXXX 13AXXX 13AXXX... 13AXXX Destination Low (DL) 404CXXXX 404CXXXX 404CXXXX CXXXX Node Identifier (NI) MEGA N Node Discovery (NO) Ou seja, todos módulos devem estar na mesma PAN, apenas os valores SH e SL do veículo são relevantes pois são o equivalente ao MAC das placas ethernet(um identificador único), esses valores devem estar presentes em DH e DL dos demais módulos, assim eles responderão as requisições somente ao veículo. O NI é o inverso dos anteriores, é importante que cada módulo tenha um id único, pois é dessa forma que o veículo os encontra durante a associação para a coleta de dados. Já o NO é o que possibilita que o veículo encontre os demais módulos e vice-versa.

63 5.3 Desenvolvimento da programação dos dispositivos 50 Com essas configurações a comunicação entre os dispositivos está pronta. A última etapa agora é a programação dos Arduinos. Por ordem de necessidade de recursos, serão analisados a partir dos dispositivos mais simples, até os mais complexos. O mais simples é o localizado junto ao servidor. Sua única tarefa é aguardar até que o veículo chegue, verificando a existência de dados no buffer serial 12. Caso existam, ele deve receber todos os dados e, quando acabar o recebimento, re-enviar ao computador. O segundo em complexidade é o sensor, nele estão implementadas várias estruturas, visando armazenar as informações para poder repassá-las quando o veículo solicitar. Antes do armazenamento, os valores recebidos pelos sensores necessitam ser tratados. Esse tratamento se faz necessário devido à um sintoma apresentado nas leituras chamado bounce, nele ocorre uma variação de sinal que na realidade não deveria estar presente. Isso pode ser identificado com um simples teste. Ao associar um botão a uma entrada, sua leitura deveria ser 0 para não pressionado e 1 para pressionado, mas simplesmente após conecta-lo as leituras são do tipo e ao pressionar , ou seja, aonde deveria ler 0 constantemente, aparecem alguns 1. Isso que é apenas um caso lógico 0 ou 1, ao testar com um sensor de temperatura, as leituras foram 129,358,63,115,... e esses valores se armazenados não fazem sentido. Para tratar esse problema, foi utilizado um método chamado debounce, onde são coletadas amostras de leitura, somadas e divididas pelo número de leituras, método também conhecido como média aritmética. Ao utilizar desse artificio, as leituras se tornam estáveis. Esse problema deve ser tratado pois ao considerar o caso anterior, a média aritmética gera um valor 134 estável, suponha que é considerado crítico o valor 145 para esse sensor, caso o veículo requisite o valor no instante 1 com valor 129, ele não considerará crítico, porém se solicitar no instante 2 que tem valor 358 será considerado crítico, é importante ressaltar que essa oscilação ocorre em milésimos de segundos, o que tornaria a leitura imprecisa. Após tratado, o valor é armazenado em uma estrutura de dados que além de armazenar os dados é utilizada para enviá-los a outros dispositivos de forma organizada e compreensível. A diferença entre a estrutura de um módulo sensor e o veículo é apenas que o veículo deve armazenar além dos dados dos seus sensores, os dados dos sensores dos outros módulos como representado na Figura 32. É importante lembrar que como a Serial possui uma limitação de envio, cada variável pode ocupar apenas 1 byte, ou seja, um módulo sensor com apenas 1 sensor necessitará transmitir apenas 7 bytes e um com 2 sensores, apenas 12 bytes, porém para 12 vale lembrar que os módulos XBee utilizam comunicação serial para transmitir e receber informações, e sendo assim, para acessá-las basta verificar pelo Arduino utilizando a função Serial.available

64 5.3 Desenvolvimento da programação dos dispositivos 51 o veículo armazenar 1 sensor local mais 2 módulos sensores com 1 sensor cada equivale ao espaço de 22 bytes. Figura 32: Representação da estrutura dos pacotes de transmissão Além desse do tratamento dos sensores, o veículo deve ainda indicar por quanto tempo cada motor deve permanecer ligado ou desligado através da função digitalwrite(pino,high) para ligar e digitalwrite(pino,low) para desligar, onde pino equivale ao pino associado ao motor. A utilização dessas funções combinadas é o que compõe a rota programada do veículo. O fechamento do ciclo de monitoramento ocorre com o tratamento dos dados recebidos no servidor, que ao receber os dados, desmonta o pacote e apresenta as informações de forma clara. Um exemplo do retorno do veículo é apresentado na Figura 33.

65 5.4 Ensaios, Coleta de Dados e Validação 52 Figura 33: Tela do programa que faz a coleta dos dados do veículo A questão temporal, responsável pelo histórico dos dados coletados dos sensores, não pode ser tratada devido a um desafio na sincronia, pois o Arduino não possui um relógio sincronizável, apenas um contador de milissegundos que são contados a partir do momento em que ele é ligado a uma fonte de alimentação. A problemática do tempo é interessante, pois com ela seria possível não somente armazenar quantos críticos ocorreram, mas também quando ocorreram. 5.4 Ensaios, Coleta de Dados e Validação Para a validação, durante os ensaios os dispositivos tiveram programações distintas de acordo com a função a ser executada. Duas programações foram criadas: Programação do veículo: a programação do veículo é a mais completa dentro das que foram elaboradas, os principais elementos dessa são: Rota fixa programada Rota alternativa caso valor crítico em sensor seja encontrado Associação com módulos sensores e módulo servidor

66 5.4 Ensaios, Coleta de Dados e Validação 53 Armazenamento de dados do sensor local e sensores remotos Transmissão de dados para o servidor Programação do módulo sensor: a programação do módulo sensor abrange tanto os dispositivos utilizados apenas para a coleta de dados, quanto o dispositivo utilizado para comunicação com o servidor. Em sua programação, é encontrada parte da funcionalidade da programação do veículo e uma adicional como indicado a seguir: Tratamento e armazenamento dos dados do sensor local Resposta à requisição dos dados do sensor local Replicação dos dados recebidos do veículo para o servidor Os testes foram efetuados em duas rotas, essas rotas foram criadas para testar o comportamento do veículo em diferentes situações, pois como o veículo foi reaproveitado, seu comportamento com o novo circuito controlador era incerto. Apesar do formato da rota ter variado, todas rotas de teste contam com três pontos de parada principais: o ponto 1 é onde se encontra o servidor e onde o veículo tenta se associar para descarregar as informações coletadas; os pontos 2 e 3 são pontos onde ficam os sensores, neles o veículo tenta a associação e requisita os dados coletados. A primeira rota que foi elaborada para verificar a capacidade do veículo de cumprir com exito um percurso de trajeto complexo, foi a rota oval, nela o veículo deve percorrer um trecho como o representado na Figura 34. Figura 34: Rota oval utilizada nos testes

67 5.4 Ensaios, Coleta de Dados e Validação 54 A importância dessa rota foi avaliar como se comportavam os motores quando percorrem caminhos que exigem precisão como permanecer em linha reta ou fazer uma curva e a partir de determinado ponto continuar em linha reta. Durante os testes, foi constatado que os o veículo não foi criado com o propósito de precisão. Na Figura 35 estão ilustrados os resultados. Figura 35: Resultados dos testes na rota oval Nos teste foram tomados cuidados para que o veículo estivesse posicionado sempre, o mais semelhante possível, em todas tentativas. Os resultados foram que o veículo sempre desviava da rota. O motivo que leva o veículo a se comportar de tal maneira é principalmente o motor frontal. Por ser um motor simples de corrente contínua, seu funcionamento ocorre da seguinte maneira, quando ele é submetido a uma corrente é acionado causando o deslocamento máximo do eixo frontal virando a roda. A direção da roda é influenciada pelo sentido da corrente 13, porém quando privado de corrente o motor fica livre, deixando eixo frontal solto e sujeito a alterações de posição por ação de força externa. Com isso, a validação efetiva ocorreu na rota circular representada na Figura 36. Nessa rota o veículo inicia e termina o trajeto com o motor frontal acionado. 13 razão do uso da ponte-h discutida anteriormente

68 5.4 Ensaios, Coleta de Dados e Validação 55 Figura 36: Rota circular utilizada nos testes O motor acionado constantemente, garante que nenhuma força externa possa desviar o veículo do caminho fazendo com que todas as voltas tenham um desvio mínimo aceitável, não passando para dentro ou para fora do círculo. Nessa rota foram testadas tanto a situação normal de trajeto, quanto a situação de valor crítico encontrado. No veículo foi associado um sensor de luminosidade, na posição 2, um sensor de temperatura e na posição 3, um de gás. Um exemplo do resultado obtido em um dos testes é ilustrado na Figura 37, onde o veículo executou a rota normalmente e não obteve nenhuma leitura crítica. Figura 37: Rota oval utilizada nos testes Para concluir a validação do trabalho, para testar a questão de rota alternativa, foi programada como alternativa que o veículo, quando encontrasse uma leitura crítica, ignorasse todas leituras seguintes e prosseguisse com a rota diretamente em direção ao servidor para reportagem. Então em uma das voltas, o sensor de temperatura encontrado ma posição 2 foi estimu-

69 5.5 Considerações deste capítulo 56 lado, e nesse cenário o veículo também se comportou adequadamente tendo como resultado o que está representado na Figura 38. Figura 38: Rota oval utilizada nos testes As figuras apresentadas anteriormente são da aplicação em execução no servidor, o que indica que a transmissão dos dados coletados também foi executada com sucesso indicando que a validação foi bem sucedida. 5.5 Considerações deste capítulo Nesse capítulo, foram tratadas as questões da validação, onde foram verificados os desafios e resultados do cenário, do desenvolvimento do veículo e da programação dos dispositivos e módulos XBee. Com relação ao cenário, o veículo é capaz de percorrer uma rota programada por tempo e não por distância, ou seja, ele pode acelerar por 10 segundos, manter o motor para a esquerda durante 5 segundos em conjunto com a aceleração, manter desligado por 20 segundos para aguardar resposta dos módulos sensores etc., mas não pode ser instruído a andar 5 metros, fator que dificulta a transcrição do trajeto para a programação. Essa limitação se dá ao fato de não ser um veículo automatizado guiado, o que pode ser futuramente incorporado ao trabalho. O tratamento dos valores dos sensores é feito, mas somente quando é conhecido seu mínimo e máximo. Tal tratamento foi realizado no servidor após o recebimento. É recomendado que seja feito no servidor após a recepção para evitar perdas tanto em tempo de processamento quanto em armazenamento.

70 5.5 Considerações deste capítulo 57 Uma unidade de cada equipamento adquirido pronto está ilustrada na Figura 39, e desses equipamentos, um módulo XBee apresentou instabilidade, portanto não pôde ser utilizado. Quanto às placas do veículo, a primeira foi completamente manufaturada durante o trabalho, envolvendo os processos de corrosão da placa de circuito impresso, o desenho do circuito, a soldagem e os testes. A segunda placa já foi adquirida pré-furada e desenhada, porém também foi soldada durante o trabalho. Figura 39: Equipamentos adquiridos O item maior e mais à esquerda(1) é um Arduino Mega 1280, à direita abaixo(3) um Arduino Duemilanove 328, acima do Duemilanove(2), um shield XBee com o módulo já acoplado e os três últimos são sensores, na ordem começando pelo mais acima(4) temos o sensor de gás, abaixo(5) o de luminosidade e por fim(6) o de temperatura. Para a comunicação os módulos atenderam todos os requisitos e, apesar da necessidade do atraso para a passagem do módulo entre dispositivos, foram efetuados testes para verificar o comportamento dos módulos durante a associação como ilustrado na Figura 40. Figura 40: Gráfico dos testes de associação Após o teste foi constatado que o tempo médio para efetuar a associação e coletar os dados