MÓDULO DIDÁTICO PARA ENSINO DE DOMÓTICA COM ÊNFASE EM EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

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1 MÓDULO DIDÁTICO PARA ENSINO DE DOMÓTICA COM ÊNFASE EM EFICIÊNCIA ENERGÉTICA Carmela M. P. Braga (1); Laura C. Braga (2); Vitor A. Braga (3); Anísio R. Braga (4); Karluce S. Resende (1) Departamento de Engenharia Eletrônica, UFMG, Av. Antonio Carlos 6627, (2) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, UFMG, Av. Antonio Carlos 6627, (3) Engenharia de Controle e Automação, UFMG, Av. Antonio Carlos 6627 (4) Departamento Acadêmico de Ensino Superior, CEFETMG, Av. Amazonas, 7675, anisio@des.cefetmg.br Abstract: A structure that emulates automated building environments is described. The automation is done by a central controller, sensors and actuators. Automation is done according to the defined comfort ranges for temperature, humidity and luminosity. The desired luminosity is achieved by responses of lights and automatic curtain that opens and closes automatically. The other variables are kept within the range of comfort through the triggering of devices capable of increasing and reducing them (to the external minimum). The choice of which environment to simulate is done on the supervision screen, which also shows all the current environmental information. Keywords: Home Automation, Intelligent House. Resumo: Descreve-se um módulo de ensino de domótica que emula ambientes residenciais automatizados, em relação à temperatura, umidade e luminosidade. A automação é feita por um controlador central, sensores e atuadores. São definidas faixas de conforto para a temperatura e umidade e níveis de luminosidade. A luminosidade desejável é conseguida por meio do acionamento de lâmpadas e cortina automática. As demais variáveis são mantidas dentro da faixa de conforto por meio do acionamento de dispositivos capazes de aumentá-las e diminuí-las (até os valores mínimos externos). A escolha de estratégias que provêem uso racional de energia pode ser testada e demonstrada no módulo. Palavras Chaves: Automação Residencial, Casa Inteligente. 1 INTRODUÇÃO Sabe-se que para que uma edificação consuma energia de maneira eficiente é necessário que ela seja dotada de equipamentos eficientes e materiais apropriados para a sua localização e características. Entretanto, também é imprescindível que ela seja operada com uma meta de demanda energética parcimoniosa (Braga et al., 2007). Para alcançar tal meta operar edificações de forma a consumir energia de maneira racional é por vezes necessário dotar esta edificação com dispositivos que automatizem o acionamento de seus equipamentos conforme um conjunto de regras pré-estabelecidas, ou seja, é necessário o emprego de técnicas de automação predial (Braga, 2007). A automação residencial / predial ou simplesmente a domótica ainda não é comumente empregada para fins explícitos de eficiência energética. Fato que contrasta com o expressivo consumo energético de edificações, responsáveis por cerca de 40% de toda a energia elétrica consumida no Brasil (MME, 2007). Este contexto aliado ao aquecimento global, a preocupação com a preservação ambiental e com as possíveis consequências das crises energéticas são alguns dos fatores que motivam a abordagem de temas

2 de eficiência energética em cursos de graduação nas áreas de engenharia e arquitetura. Com o intuito de formar profissionais conscientes da necessidade de se consumir recursos energéticos de maneira racional, e que saibam aplicar técnicas de automação para esse fim, a UFMG e o CEFET-MG tiveram um de seus laboratórios de automação capacitados para o ensino de técnicas de automação residencial e predial. O que foi viabilizado pelo Projeto de Capacitação Laboratorial em Eficiência Energética Integração de Técnicas de Automação Residencial e Predial, em parceria com o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica - PROCEL / ELETROBRÁS. Dentro desse contexto, surge o projeto Módulo Domótico que consiste no desenvolvimento de uma ferramenta de ensino de automação residencial / predial, no qual são simulados ambientes automatizados. 2 DESCRIÇÃO DO MÓDULO DE ENSINO DOMÓTICO O Módulo de Ensino Domótico é uma planta didática projetada e desenvolvida para aulas práticas de Automação Residencial e Predial - Domótica. Foi desenvolvido para ser uma estrutura que emula ambientes domóticos e sob a qual é possível projetar e implementar diferentes soluções de automação. As dimensões do módulo estão em escala com as do Laboratório de Automação da UFMG, assim como as disposições da porta e da janela, de forma a permitir a realização de simulações em paralelo com o ambiente real e comparações entre o consumo energético real e na planta piloto. As dimensões reais do laboratório e as do módulo são apresentadas na figura 1. Além de uma porta e uma janela o módulo possui ainda uma abertura lateral, figura 4, que permite um fácil acesso ao interior do módulo. Fig. 2: Módulo Domótico Fig. 3: Módulo Domótico janela L.A. (7 x 5 x 3,60 m) Módulo (100 x 71,5 x 51,5 cm) Fig. 1: Dimensões do L.A. e do Módulo em escala (1:7). A estrutura do Módulo de Ensino Domótico, figura 2, apresenta: piso, teto e paredes de madeira e colunas de sustentação em perfis de alumínio. Há ainda, um teto falso de teflon onde estão instalados os dispositivos de iluminação artificial. Por ter sido desenvolvido para ser uma estrutura dinâmica, no sentido de ser possível implementar vários tipos de ambientes e situações, é possível re-posicionar ou trocar suas partes (paredes, teto e tipo de tecnologia). Os pés da estrutura são rodas loucas, provendo assim uma fácil movimentação. O que permite locomovê-lo para, e.g., permitir uma maior ou menor irradiação solar em seu interior. A admissão de iluminação natural no interior do Módulo ocorre por sua janela (figura 3), que possui cortina tipo persiana cuja parte inferior foi afixada de modo a limitar seu movimento ao abrir / fechar de suas aletas. Para prover iluminação artificial indireta, são utilizadas duas sancas (uma em cada lateral do módulo), nas quais são instaladas lâmpadas de LEDs. Fig. 4: Módulo Domótico interior 3 ARQUITETURA DO SISTEMA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO A arquitetura de controle e automação disponibilizada pelo módulo é a tradicional CLP (Controlador Lógico Programável) + SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition) em que o CLP realiza as funções de interface direta do sistema de controle com o processo. A ligação física entre CLP e PC, onde se encontra instalado o software de operação e supervisão do módulo, é feita via conexão serial RS-232. O diagrama básico dos hardwares envolvidos na automação é apresentado na figura 5. Os subsistemas de controle do módulo foram divididos de acordo com as variáveis controladas: luminosidade, temperatura e umidade relativa.

3 O sistema de controle da luminosidade é constituído de dois sensores de iluminação, um localizado próximo à porta e o outro próximo à janela do módulo. Os atuadores deste sistema são: uma cortina automática (acionada por um servo motor) e lâmpadas a LEDs - brancos, para iluminação direta, e amarelos e azuis, para iluminação indireta. de leds Leds Servo motor Saída Umidificador Exaustor Secador escolhidos para a umidade (U min ) mínima e máxima (U max ) e à média destes valores escolhidos (U med ). Uma limitação deste sistema é a impossibilidade de se reduzir o valor da umidade interna abaixo do valor da externa. Portanto, caso a umidade interna (U i ) esteja superior ao valor máximo desejado (U max ) é necessário verificar qual o valor da umidade externa (U e ). Se U e estiver abaixo do máximo desejado o exaustor é ligado. Entretanto, se U e estiver acima de U max nada pode ser feito. PC RS-232 CLP Sistema de Controle da Umidade Relativa do Ar Entrada Sensores de temperatura Sensores de umidade relativa Sensores fotoelétricos U < U i min U U U > U i max U < U e max U U Figura 5: Diagrama de hardware da automação do Módulo de Ensino Domótico No sistema de controle da temperatura são utilizados dois sensores um para medir a temperatura interna ao módulo e outro para medir a temperatura externa. Um secador de cabelos é o principal elemento do conjunto atuador deste sistema que, dependendo dos comandos enviados pelo controlador, pode injetar ar quente ou ar à temperatura ambiente. O sistema de controle de umidade é composto por sensores de umidade relativa um externo e outro interno ao módulo. O conjunto atuador deste sistema é constituído por um umidificador (que libera vapor de água no ambiente) e um exaustor. 4 DEFINIÇÃO DA ESTRATÉGIA DE CONTROLE DO SISTEMA DOMÓTICO A automação dos sistemas é feita por um programa executável que realiza o controle por faixas das variáveis envolvidas. Para isso, são definidas faixas de conforto no que diz respeito à temperatura e umidade e níveis de luminosidade característicos para cada ambiente domótico. Essas faixas de conforto são reconfiguráveis, ou seja, os valores limiares podem ser alterados pelo usuário (mas dentro de valores limites). Por meio de uma interface amigável o usuário escolhe qual é a faixa de valores desejada para as variáveis temperatura e umidade. Os valores, mínimo e máximo, determinados pelo usuário são limitados a faixa de 10 a 80 % para a umidade relativa e de 15 ºC a 70 ºC para a temperatura. Após a definição destes limiares, caso esteja fora da faixa de conforto, o atuador específico para cada situação é acionado. Os valores médios de umidade e temperatura são calculados, de acordo com a faixa de valores desejada, e utilizados nas condições de desligamento dos respectivos equipamentos. O controle por faixa da umidade relativa do ar ilustrado na figura 6 é realizado por meio da comparação entre os valores medidos de umidade relativa interna (U i ) e externa (U e ), os valores umidificador umidificador exaustor exaustor Figura 6: Lógica de Funcionamento do Sistema de Controle da Umidade T < T i min ar quente T T ar quente Sistema de Controle da Temperatura T > T i max T < T e max ar temp. amb. T T ar temp. amb. Figura 7: Lógica de Funcionamento do Sistema de Controle da Temperatura De maneira análoga, o controle por faixa da temperatura ilustrado na figura 7 é realizado por meio da comparação entre os valores medidos de temperatura interna (T i ) e externa (T e ), os valores desejados de temperatura (T min ) mínima e máxima (T max ) e à média dos valores desejados (T med ). Assim como no caso da umidade, o controle de temperatura possui a limitação de não poder abaixar o valor da temperatura interna para abaixo do valor da externa. Esta limitação é devida ao fato do atuador existente ser capaz apenas de injetar ar quente ou à temperatura ambiente. Para o sistema de iluminação são definidas nove cenas distintas que são selecionadas de acordo com o tipo de ambiente que se deseja simular. Os diversos ambientes dispostos para a escolha por cenas são quarto, cozinha, e salas: de leitura, de estar, de televisão e de jantar. Além da escolha de cenas por ambientes, existe ainda a opção de acionar conjuntos específicos de lâmpadas, e a de deixar o ambiente escuro. Como a área do módulo domótico é razoavelmente grande, foram criadas duas zonas de iluminação distintas conforme ilustrado na figura 8.

4 Figura 8: Configuração das lâmpadas Utilizando o conjunto de seis lâmpadas na parte anterior do módulo (próxima à porta) são simuladas cenas cuja luminosidade requerida é mais baixa, como por exemplo, uma sala de estar. Na região próxima à janela, simula-se ambientes como quarto, sala de TV, cozinha, sala de jantar, que apresentam requisitos de luminosidade intermediários. No caso da simulação de ambientes que necessitam de alto nível de iluminação, como uma sala de leitura ou biblioteca, utiliza-se toda a área do módulo (os dois conjuntos de lâmpadas). O controle do sistema de iluminação é iniciado pela escolha da cena desejada. No caso da escolha de cenas aconchegantes, lâmpadas a LEDs (azuis ou amarelos) são acionadas, o usuário pode fechar a cortina, via supervisório, se desejar. Após a escolha da cena, verifica-se o nível de luminosidade presente para, em seguida e se necessário, abrir a cortina. Caso ainda a luminosidade não seja suficiente, a iluminação artificial é acionada, garantindo assim, a manutenção dos níveis adequados de luminosidade para cada ambiente e um uso racional da energia elétrica. A figura 13 mostra o funcionamento desse sistema. Como pode ser visto pela representação da lógica de controle (figura 9), cada tipo de ambiente possui uma luminosidade mínima pré-estabelecida de acordo com a norma de Iluminância de Interiores, NBR 5413, da Associação Brasileira de Normas Técnicas. Após a escolha de um ambiente, o sistema verifica qual a leitura do respectivo sensor de luminosidade e, caso esteja abaixo do valor pré-estabelecido as aletas da cortina são abertas. Se a luminosidade permanecer abaixo do valor determinado mesmo após a admissão de luminosidade externa, a iluminação artificial é acionada. Sistema de Controle da Iluminação Quarto TV Cozinha Jantar leitura estar Amarelo Azul Escuro Cena 2 Cena 3 Cena 4 Cena 5 Cena 1 Cena 6 L1<150 L1<500 L2<100 Abrir Cortina Amarelo Fechar cortina Azul Cena 2 e L1<150 Cena 3 e L1<500 Cena 4 e L2<100 B1 B2 Figura 9: Funcionamento do sistema de iluminação 4.1 Demonstração de Aplicação da Estratégia de Controle O comportamento das variáveis umidade e temperatura, ao se fazer o controle da umidade interna por faixa, é apresentado na figura 10. A umidade externa (em azul) permanece, durante o período observado, bem abaixo da faixa de conforto de 50 % a 65 %. Enquanto que a umidade interna (em vermelho) é mantida dentro dessa faixa. A correlação existente entre a temperatura e a umidade pode ser vislumbrada no gráfico de temperatura. Analisando um ciclo, à medida que a umidade aumenta, a temperatura diminui e de maneira análoga, quando a umidade diminui a temperatura aumenta. Essa análise simples mostra a influencia de uma variável na outra, ou ainda, que são variáveis acopladas dinamicamente. O controle por faixa ampla, como mostrado, permite manter a variável controlada dentro de uma faixa determinada, com o menor esforço de controle, dado que os atuadores envolvidos são liga/desliga. Outra estratégia de controle, na qual o esforço de controle é máximo, é utilizar uma faixa de variação nula. Este controle, chamado de controle por relé, é caracterizado pelo acionamento do dispositivo de atuação sempre que a variável controlada estiver com valor diferente do desejado. Ao utilizar esta estratégia de controle, a correlação existente entre as variáveis de umidade e temperatura, aparece mais evidenciada. A figura 11 mostra o comportamento da umidade relativa e da temperatura ao utilizar estratégia de controle por relé para a manutenção da umidade interna em 65%.

5 é a da cozinha, e em seguida, a cortina é fechada, mostrando a contribuição da iluminação natural nesse ambiente. Figura 10: Controle por faixa ampla da umidade interna Figura 13: Gráfico de luminosidade Figura 11: Controle por relé da umidade A figura 12 mostra o controle por relé da temperatura, onde seu valor médio é aproximadamente 35ºC. Ao manter a temperatura nesse valor, a umidade decresce para, aproximadamente, 24%. O valor da temperatura oscila muito, pois não é possível ligar e desligar as saídas de ar quente e de ar à temperatura ambiente a uma freqüência maior. Figura 12: Controle por relé da temperatura Para mostrar o funcionamento do sistema de controle da iluminação o seguinte exemplo foi realizado. No instante inicial, com todas as lâmpadas apagadas e a cortina fechada a luminosidade interna é baixa, conforme pode ser visto na figura 13. Em seguida, é escolhida a cena de sala de TV, na qual a luminosidade deve ser maior do que 150 lux. Neste caso, obtém-se uma luminosidade de 200 lux. Até este momento, a sala onde está o módulo encontra-se com as lâmpadas apagadas, as próximas cenas são realizadas com as lâmpadas da sala acesas. Escolhe-se a cena 3 corresponde à de maior nível de luminosidade, a sala de leitura (500 lux). Entretanto, atinge-se um valor máximo de aproximadamente 420 lux. A próxima cena é a sala de estar. Neste caso atinge-se a luminosidade suficiente (100 lux) com apenas a cortina aberta, sem a necessidade de ligar as lâmpadas. Segue-se a cena ambiente escuro. Este, apresenta um nível maior de luminosidade do que o primeiro momento, pois as lâmpadas do laboratório estão ligadas. A próxima cena O supervisório do Módulo de Ensino Domótico é composto por duas telas sinóticas. A primeira delas mostra os estados do exaustor, do umidificador, da entrada de ar e do motor cc de acionamento da cortina. Ainda nesta tela, estão os gráficos das variáveis envolvidas. A figura 14 mostra esta tela no momento em que nenhum valor de limite das faixas é definido e, consequentemente, o umidificdor, exaustor e as saídas de ar estão desabilitados. Neste momento, foi escolhida uma cena de iluminação o que ocasiona a abertura da cortina, indicada pelo funcionamento do motor cc. Na outra tela sinótica, o usuário pode escolher as cenas de iluminação e, também, podem ser feitas escolhas em relação aos limiares da temperatura ou da umidade. Nesta tela, estão as informações quanto à faixa de conforto definida, quanto à quantidade de lâmpadas acesas das iluminações direta e indireta e o estado da cortina (aberta ou fechada). Há ainda, um botão para que o usuário feche a cortina quando desejar. A figura 15 mostra esta tela no momento em que a cena de iluminação amarelada está selecionada. 5 CONCLUSÕES Um módulo desenvolvido para o ensino de domótica, flexível e dinâmico, onde podem ser implementadas diversas alternativas de automação residencial, para projetos de domótica é apresentado. Os sistemas automatizados desenvolvidos foram implementados com equipamentos e instrumentos de linha comercial, tornando assim um projeto de automação residencial mais viável economicamente. O desenvolvimento do Módulo de Ensino Domótico e a simulação da automação do ambiente do Laboratório de Automação contribuem para o ensino de automação residencial na medida em que familiariza os alunos com as variáveis importantes nos ambientes domésticos e com possibilidades de controle das mesmas. Estratégias de controle e automação visando uso racional de energia podem ser implementadas, demonstrando à importância de se considerar a eficiência energética dos sistemas como mais um critério de projeto. No Módulo de Ensino Domótico, muitas alternativas de automação podem ser realizadas, como por exemplo, a

6 substituição da cortina automática, por vidros inteligentes, a dimerização das lâmpadas para a criação de cenas de iluminação, a utilização de sensores sem fio, com a criação de rede wireless, a utilização de dispositivos que utilizam rede X-10, etc. Podem-se realizar outras estratégias de controle, como por exemplo, a utilização de um controle contínuo, com um PWM, onde o chaveamento dos atuadores deve ocorrer em freqüências bem mais altas, permitindo o uso de controladores PI, por exemplo. Podem ainda ser criados roteiros de aulas práticas de Domótica, utilizando o Módulo de Ensino Domótico, enfatizando as variáveis importantes de controle em um ambiente residencial e estratégias usuais de controle dos ambientes. São inúmeras as possibilidades a serem exploradas com este recurso para o ensino de Domótica. Figura 14: Tela sinótica do Módulo de Ensino Domótico 1 Figura 15: Tela sinótica do Módulo de Ensino Domótico AGRADECIMENTOS Este trabalho contou com o financiamento da Eletrobrás/PROCEL a quem registramos agradecimentos. 7 REFERÊNCIAS Braga, L. C., Braga, C. M. P. and Braga, A. R. (2007). Estudos preliminares para projeto de automação predial com eficiência energética, II CBEE, Associação Brasileira de Eficiência Energética. Braga, L. C., (2007). Estudo de Aspectos de Eficiência Energética de Edificações com uma Abordagem de Automação Predial. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Minas Gerais, UFMG. Brasil. Resende, K. S. (2007). Desenvolvimento do Módulo de Ensino Domótico e Simulação da Automação do L.A., trabalho de graduação, UFMG. Ministério de Minas e Energia MME (2007). Balanço energético nacional 2007: Ano base Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT (1992). Iluminância de Interiores. NBR 5413