Uma Alternativa Simplificada de Dispositivos Eletrônicos Utilizados em Automação Residencial

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1 Este artigo foi reproduzido do original final entregue pelo autor, sem edições, correções ou considerações feitas pelo comitê técnico. A C&D não se responsabiliza pelo conteúdo. Outros artigos podem ser adquiridos através do site da revista Todos os direitos são reservados. Não é permitida a reprodução total ou parcial deste artigo sem autorização expressa da C&D. Uma Alternativa Simplificada de Dispositivos Eletrônicos Utilizados em Automação Residencial Ricardo Lins Mota Bacharel em Engenharia da Computação pela Faculdade Independente do Nordeste (FAINOR) Vitória da Conquista, BA, Brasil ricardo.lins.eng@gmail.com MSc. Wilton Lacerda Silva Coordenador e professor do Curso de Engenharia da Computação da Faculdade Independente do Nordeste (FAINOR), Professor do CEFET. Vitória da Conquista, BA, Brasil wiltonlacerda@gmail.com RESUMO Neste trabalho é destacado o conceito de automação residencial, mostrando as dificuldades que os usuários da classe media-baixa enfrentam no Brasil, quando desejam automatizar alguns aspectos de sua residência. Baseando-se em pesquisas, foi possível detectar algumas preferências mais imediatas deste tipo de usuário quanto à idéia de automatizar suas residências. Dentre os recursos mais votados em uma dessas pesquisas, foram escolhidos um controlador de temperatura e um dimmer sem fio para serem desenvolvidos neste trabalho sob proposta de redução de custo final destes dispositivos. Os mesmos mostraram capacidade de atender aos requisitos mais fundamentais a que foram propostos. 1 INTRODUÇÃO Durante a década de 80, as tecnologias de automação utilizadas nas indústrias foram migrando para as residências, e assim, começou a surgir o que hoje chamamos de Domótica. Segundo o dicionário Larousse, o termo Domótica é o conceito de casa que integra todos os automatismos em matéria de segurança, gestão de energia, conforto, comunicações, etc.. Para Meyer [1], é o uso de equipamentos especializados que podem controlar lâmpadas, eletrodomésticos, aquecedores, ar condicionado, e talvez perceber em que local da casa as pessoas estão. Com o crescente avanço das tecnologias eletrônicas e do processamento da informação, os dispositivos usados na automação de residências passaram a possuir maior capacidade de controle, processamento, armazenamento e posteriormente, a capacidade de tomada de decisões. Sendo assim, qualquer equipamento que tenha autonomia para desenvolver uma tarefa básica, trocar informações com outros dispositivos, possibilitar comando remoto e ser capaz de tomar decisões, pode ser considerado um dispositivo inteligente [2]. Para Teruel e Novelli [3], soluções de automação residencial utilizam equipamentos microcontrolados que interagem entre si através de meios de comunicação homogêneos ou heterogêneos, trocando informações e tomando decisões orientadas ao usuário para assegurar seu conforto, segurança e bem estar. Existem duas classes de dispositivos, os que apresentam inteligência própria e aqueles que requerem subsistemas complementares de controle. Os dispositivos com inteligência própria são capazes de realizar todas as operações básicas de comando remoto, interligação em rede, autonomia e tomada de decisão. Caso o dispositivo não apresente inteligência própria ele pode se utilizar da integração com outros subsistemas para desenvolver essas mesmas operações. A arquitetura destes dispositivos é normalmente constituída por um núcleo básico responsável pelas suas funções fundamentais. Qualquer outro recurso secundário não pertence ao conjunto de funções de responsabilidade do núcleo. A (Figura 1), a seguir, mostra um modelo simplificado da arquitetura de um dispositivo inteligente com inteligência embutida, geralmente microcontroladas. CIÊNCIA & DESENVOLVIMENTO - REVISTA ELETRÔNICA DA FAINOR (C&D),

2 Figura 1 Modelo de dispositivo inteligente com inteligência embutida. A maioria das funções de controle, entrada e saída são feitas obedecendo a uma lista de códigos contendo instruções e parâmetros que possibilitam a outros dispositivos entenderem o que determinado dispositivo deseja realizar. O software de controle é, portanto, este conjunto de instruções que define seu funcionamento básico. Todos os outros recursos são de responsabilidade do software de aplicação [2]. Para a implantação de um Sistema Domótico, é necessário um projeto prévio e desenvolvido por um profissional Integrador. Este tem conhecimento das tecnologias disponíveis e da forma de interação entre elas, bem como toda a estrutura física dos meios de comunicações entre os dispositivos e muitas vezes, a utilização da Domotica está atrelada a serviços que dependem sempre de uma provedora. Segundo Teruel e Novelli.[3] a maioria das empresas em São Paulo não atendem diretamente ao consumidor final, mas apenas profissionais certificados ou empresas revendedoras. Assim o custo final da Domótica fica elevado para o padrão econômico do país fazendo com que a procura pela mesma seja bastante pequena. Segundo a empresa especializada em automação residencial Home Gateway, O mercado de automação residencial é voltado para as classes mais altas da sociedade, mas futuramente haverá uma crescente popularização do serviço. O surgimento de novas tecnologias e produtos, a redução dos custos e as vantagens que o sistema oferece, atraem um número cada vez maior de consumidores. A proposta de desenvolver dispositivos domóticos de baixo custo vem a tornar possível alguns automatismos dentro de uma residência, até mesmo de forma inteligente, para usuários com o nível econômico médio-baixo sem que seja necessária a intervenção de um profissional integrador e nem o uso dependente de um provedor de serviços domóticos. Apenas utilizando componentes eletrônicos facilmente encontrados na maioria das casas especializadas e reduzindo algumas funções especificas que podem ser desnecessárias ao objetivo final a que certo dispositivo se propõe basicamente, é possível constituir dispositivos bastante eficazes para atender às necessidades mais imediatas em um sistema domótico. Um exemplo prático deste processo pode ser representado quando se deseja controlar a temperatura ambiente no interior de uma residência, neste caso não é necessário um dispositivo que, ao mesmo tempo, apresente a temperatura, umidade relativa do ar, altitude e pressão atmosférica. Apenas um termômetro pode contribuir acionando um atuador que fará com que a temperatura mude de intensidade até o nível desejado pelo usuário. Pode-se ainda aproveitar este termômetro para auxiliar na detecção de incêndio caso um aumento brusco da temperatura ambiente seja notado. Em uma pesquisa realizada por Teruel e Novelli [4], verificou-se que entre os possíveis equipamentos que são utilizados em automação residencial, a utilização do ar condicionado está entre os quatro dispositivos mais solicitados entre aqueles que desejam ter alguma automação em suas residências. Também, na mesma pesquisa, foi constatado que o meio mais solicitado para o controle com acesso remoto destes dispositivos foi de tecnologias que possam usar a Internet como o meio. Dentre os modos de acionamento dos equipamentos, o controle de carga de potência através de chaveamentos como ligar/desligar ou travar/destravar foram consideradas mais importantes. Já para os dispositivos considerados essenciais destacam-se: lâmpadas, TV, Som, portas e janelas. Nas câmeras de vigilância, a varredura do ambiente foi considerada a função mais importante (38%), no ar condicionado o controle da temperatura (52%) e no DVD, play/stop/pausa (36%). Figura 2 Escolha dos equipamentos prioritários para automatização. Fonte: Teruel e Novelli [4]. 2 MATERIAIS E MÉTODOS Partindo do principio de eliminar alguns recursos desnecessários e utilizar componentes eletrônicos facilmente acessíveis e também baseando-se no gráfico da (Figura 2), foi proposto o projeto e desenvolvimento de um dispositivo controlador de temperatura ambiente e um dimmer wireless. O controlador informa a temperatura em Graus Celsius e monitora o equilíbrio térmico do ambiente onde o mesmo se encontra, acionando um aquecedor no inverno ou condicionador de ar no verão. Este controlador também possui interface com o usuário onde é exibida a temperatura em um display de sete segmentos, além disso, dois botões permitem que o controlador seja programado para manter o equilíbrio térmico em uma determinada faixa de temperatura. Como mostra o modelo da arquitetura de um dispositivo inteligente representado na (Figura 1), este dispositivo possui um núcleo onde são processados os dados e tomada de decisões. Este núcleo é um microcontrolador com interface de comunicação serial e de I/O, onde podem ser adicionadas as interfaces com os sensores e atuadores além da interface de rede. O microcontrolador utilizado foi o ATmega8 da Atmel. Este possui um conversor analógico-digital de seis canais, CIÊNCIA & DESENVOLVIMENTO - REVISTA ELETRÔNICA DA FAINOR (C&D),

3 interface de comunicação serial e portas de I/O que são suficientes para este projeto, como mostra a (Figura 3). Figura 4 Esquema do controlador de temperatura ambiente. Figura 3 Configuração dos pinos do ATmega8. Em um dos canais do conversor analógico-digital (ADC0 ADC5), foi colocado o sensor LM35D que é um sensor de temperatura de alta resolução e na escala Celsius capaz de cobrir temperaturas de 2ºC a 100ºC linearmente. O ADC do microcontrolador ATmega8 é de 10 bits, isso significa, considerando um sinal máximo de 5VDC, uma resolução de 4,8mV por bit ou aproximadamente 0,5ºC a cada mudança de bit. Os botões que compõem parte da interface com o usuário, permitem que sejam programadas as temperaturas, mínima e máxima, admitidas pelo usuário. Assim, quando no inverno, a temperatura cair ao seu valor mínimo registrado previamente pelo usuário, o controlador poderá acionar um aquecedor, por exemplo, e quando a temperatura for ao máximo permitido em épocas de verão, o controlador pode acionar um condicionador de ar ou até mesmo abrir as janelas. No esquema da (Figura 4), os atuadores são acionados por uma interface de contato mecânico (relé), porém, a depender do dispositivo a ser controlado, esse acionamento pode ser feito pelo envio de uma mensagem, através da interface de comunicação serial do microcontrolador, ao dispositivo de destino. As possibilidades com a interface serial do microcontrolador são muitas. Pode-se adicionar um circuito transmissor de RF ou um encoder com a pilha do protocolo TCP/IP e permitir que um computador possa se comunicar com este controlador aumentando as possibilidades de utilização deste dispositivo. A interface visual com o usuário é um display de sete segmentos com dois dígitos. Embora a resolução deste dispositivo seja de 0,5ºC, não se faz necessário exibir esta pouca variação da temperatura nas situações para as quais este dispositivo foi proposto. O software embutido no microcontrolador é o responsável por todo o funcionamento do circuito que compõe o dispositivo, interface de rede, e também pelo tratamento dos dados de entrada e saída, sendo o mesmo, o software de controle e de aplicação na mesma estrutura física e lógica. A programação da faixa de temperatura é feita quando o usuário pressiona um dos botões durante dois segundos, então o display fica piscando exibindo o valor da temperatura salva na memória EEPROM do microcontrolador. Enquanto o usuário vai pressionando os botões para subir ou descer o valor da temperatura, o valor no display vai mudando e quando é escolhido um valor, o usuário pressiona novamente o mesmo botão por dois segundos para salvar as configurações e então o display para de piscar e volta a exibir a temperatura ambiente. Na (Figura 4) o pino (PD3) está ligado ao botão que programa o limite superior da temperatura e o pino (PD2) programa o limite inferior. É comum ver nas casas inteligentes as luzes se acenderem gradualmente até que seja alcançada uma luminosidade desejada. Geralmente, isso é feito através de dispositivos X10, porém são inúmeras as formas de se fazer isso, dependendo da tecnologia de rede utilizada. Alguns dispositivos encontrados à venda no mercado são colocados na caixa do interruptor e podem ser controlados por controle remoto ou pressionando o interruptor. Porém, em alguns casos existe uma complicação na forma com que as lâmpadas são acesas, às vezes é necessário apertar um botão durante alguns segundos para ter um máximo de luminosidade e então depois o aparelho pode controlar a intensidade da luz, conforme o usuário deseja. Isso pode ser um incomodo para alguns usuários que buscam maior facilidade no manuseio. Outros dimmers dão pulsos de luz em potência máxima para então entrar na função de controle de intensidade laminosa, fazendo lembrar uma lâmpada com o filamento solto que fica piscando com o balanço da mesma. A proposta deste projeto traz uma forma não definitiva, porém eficaz, de controlar a intensidade das lâmpadas através de uma interface simples de interruptor com CIÊNCIA & DESENVOLVIMENTO - REVISTA ELETRÔNICA DA FAINOR (C&D),

4 manuseio fácil e intuitivo, sendo os comandos enviados via radiofreqüência a um receptor que acomoda a lâmpada a ser acesa. O circuito da (Figura 5) utiliza um microcontrolador (ATtiny2313) para interpretar o acionamento de dois botões, posicionados de forma a mostrar ao usuário intuitivamente qual o botão que acende e o que apaga a luz. Ao mesmo tempo o microcontrolador envia um sinal em paralelo de quatro bits para um encoder (HT12E) que passa esse sinal para um transmissor de RF (TWS-315) que opera na freqüência de 433.9MHz. Figura 5 Desenho esquemático do interruptor Wireless disparo do triac. Como a proposta deste dimmer é controlar digitalmente a potencia de uma carga via RF, foi necessário desenvolver uma maneira de substituir o potenciômetro analógico. A utilização de um potenciômetro digital tornou-se inviável devido a este ser geralmente encontrado para circuitos de baixa potência e tensão. Assim, foi utilizado a distribuição de algumas resistências de valores diferentes de forma gradual, neste caso foram utilizados quatro resistores entre 20k e 100k, para simular um potenciômetro discreto. O esquema da (Figura 7) é o modelo do receptor do sinal de controle e também onde a potência da carga (lâmpada incandescente) é controlada. Neste circuito, o sinal é demodulado e convertido de serial para paralelo com quatro bits, sendo que as combinações dos bits fazem associações entre os resistores (resistência equivalente) que juntamente com o capacitor, alteram a fase de disparo do triac. Como o circuito de controle do disparo do triac é digital, que é o sinal decodificado pelo (HT12D) após ser demodulado pelo receptor de RF (RWS-371), faz-se necessário o isolamento deste circuito de controle, de baixa tensão (5VDC), e o circuito a ser controlado, de alta tensão (220VAC). Para isso foi adotado o circuito integrado (MOC3020) que é um opto-triac, assim o circuito de controle acende o LED do triac que o dispara deixando passar a corrente da rede para outro triac (TIC226D) onde se encontra a lâmpada a ser acesa. Ambos os triacs suportam tensões de até 400V. O capacitor, associado aos resistores em paralelo, controlam a fase em que o TIC é disparado permitindo a dosagem da potência fornecida para a lâmpada. Isso é feito através das associações dos resistores. A alimentação deste circuito é uma fonte chaveada provinda de um carregador para celular com 7,6V e 800mA. O usuário pode pressionar uma vez um dos botões e a luz aumentará ou abaixará um nível dos nove possíveis que vão de apagada à totalmente acesa. Caso queira mudar de nível, gradualmente, o usuário só precisa manter pressionado um dos botões. O LED, incluído no circuito, apenas funciona de modo estético para ser possível visualizar os botões no escuro conforme a foto da (Figura 6). Figura 6 Interruptor Wireless com sua interface visual. Os esquemas de dimmers, comumente encontrados na Internet, utilizam um potenciômetro linear para controlar o Figura 7 Esquema do receptor Dimmer Wireless CIÊNCIA & DESENVOLVIMENTO - REVISTA ELETRÔNICA DA FAINOR (C&D),

5 Conforme a foto da (Figura 8), o receptor, decodificador do sinal do interruptor e dimmer, possui pinos para serem plugados na tomada da rede elétrica e também possui uma tomada própria, onde é plugada a carga a ser controlada como um abajur por exemplo. usam os profissionais integradores ou outras empresas para irem ao usuário final, sendo assim fica difícil alguém de classe menos favorecida ter acesso à Domótica. É certo que na domótica, muitos dos recursos não podem ser barateados, devido principalmente ao tipo de tecnologia usada e pela dificuldade de obtê-la. Algumas opções como teto retrátil, reconhecimento de voz e imagem além de leituras biométricas ainda não são accessíveis para a maioria dos usuários de classe media-baixa devido ao custo bastante elevado. Mesmo encontrando alguns dispositivos mais simples no mercado do varejo, e que geralmente não são vendidos pelas empresas especializadas em Domótica, estes poucos dispositivos ainda não conseguem atender a todas as necessidades mais básicas do consumidor de classe média. 5 Figura 8 3 Interface receptora Dimmer Wireless RESULTADOS Mesmo considerando que estes dispositivos são um protótipo, o custo ainda é baixo comparado a outros dispositivos semelhantes no mercado. O controlador de temperatura ambiente desenvolvido neste trabalho foi testado e comparado com um termômetro de mercúrio durante varias horas em dias diferentes, mostrando uma boa fidelidade ao termômetro de mercúrio, possibilitando um controle preciso da temperatura. Ao faltar energia, a programação feita pelo usuário não é apagada devido ao fato de as informações da faixa de temperatura estarem gravadas em memória EEPROM no microcontrolador. No dimmer wireless há uma boa comunicação entre transmissor e receptor e a luz, quando acesa pelo receptor, dá alguns saltos devido aos valores dos resistores usados e a associação feita entre eles, isso seria reduzido se fosse acrescentado mais pinos para aumentar o número de associações e diminuir os saltos. Também é possível utilizar o circuito integrado (HT7700) que é um dimmer para lâmpadas incandescentes e utiliza pouca eletrônica analógica para seu funcionamento. A transmissão e recepção do sinal foram testadas com o transmissor dentro de um ambiente e o receptor noutro ambiente, tendo entre eles além de paredes de alvenaria, um corredor. Nestas condições, a recepção ocorreu normalmente sem apresentar nenhum problema. 4 CONCLUSÃO Neste trabalho foi possível identificar que é pode-se implementar automação residencial a baixo custo e ainda apresentou a possibilidade da não utilização de um profissional integrador. Para tanto, foram utilizadas idéias convencionais com a utilização de dispositivos inteligentes de baixo custo não abrindo mão das funcionalidades requeridas pelo sistema de automatização. Ainda, pode-se verificar que tal solução permite que o próprio usuário possa não só controlar todo o sistema, mas também realizar todo o processo de instalação de forma fácil, rápida e prática. 6 REFERÊNCIAS [1] Meyer, G. (2004) Smarth Home Hacks. Tips & Tools for Automating Your House Sebastopol: O Reilly Média. [2] Bolzani, C.A.M. (2004), Residências inteligentes, São Paulo: Livraria da Física. [3] Teruel, E.C., Novelli Filho, A. (2007) Principais tecnologia de automação residencial comercializadas no Brasil e suas características Anais do II Workshop de PósGraduação e pesquisa do CEETEPS, p [4] Teruel, E.C., Novelli Filho, A. (2007) Automação residencial: pesquisa quantitativa para conhecer a necessidade do cliente Anais do II Workshop de PósGraduação e pesquisa do CEETEPS, p DISCUSSÃO Visto que o mercado de automação residencial no Brasil ainda é restrito à classe alta da sociedade, e ainda que, no trabalho realizado por Teruel e Novelli [4] ficam expostas as restrições que as provedoras de Domótica no Brasil têm ao lidar diretamente com o usuário final, elas simplesmente CIÊNCIA & DESENVOLVIMENTO - REVISTA ELETRÔNICA DA FAINOR (C&D),