CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA ETEC JORGE STREET TELECOMUNICAÇÕES

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1 CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA ETEC JORGE STREET TELECOMUNICAÇÕES IWAN POCZEKWA MACIEL PEREIRA PAREDES LUIZ OTAVIO BARBOSA DE FREITAS RAFAEL XAVIER RAMON WELLINGTON ROMÃO PROJETO DE AUTOMATIZAÇÃO RESIDENCIAL CONTROLADA POR DISPOSITIVO COM ANDROID SÃO CAETANO DO SUL SP 2015

2 CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA ETEC JORGE STREET TELECOMUNICAÇÕES IWAN POCZEKWA MACIEL PEREIRA PAREDES LUIZ OTAVIO BARBOSA DE FREITAS RAFAEL XAVIER RAMON WELLINGTON ROMÃO PROJETO DE AUTOMATIZAÇÃO RESIDENCIAL CONTROLADA POR DISPOSITIVO COM ANDROID Trabalho de conclusão de curso apresentado como pré-requisito para obtenção do Diploma de Técnico em Telecomunicações. Orientador: Prof. Luiz Carlos da Cunha e Silva SÃO CAETANO DO SUL SP 2015

3 DEDICATÓRIA Aos familiares, pais, esposas, noivas e filhos pelo apoio e dedicação nos momentos desacreditados, paciência e compreensão nas ausências nos finais de semana de lazer, e o mais motivador, o amor destes, que nos fortalece dia após dia. Por último, porém não menos importante, aos amigos e professores pelos ensinamentos, troca de experiências e companheirismo.

4 AGRADECIMENTOS Acima de tudo à Deus, por guiar os passos, pois sem ele nada é possível. Aos pais por todo incentivo, aos amigos de classe pelo apoio múltiplo nos momentos de estudo, pela troca de experiências e boa vontade em ajudar. A todo o corpo docente da ETEC Jorge Street, pelos ensinamentos que contribuíram para formação profissional, pessoal e a conclusão deste projeto.

5 RESUMO O projeto em questão visa o Controle e Monitoração Residencial via dispositivo móvel com acesso a Internet e Sistema Operacional Android em conjunto com o Módulo de Automatização Residencial, baseado no kit de prototipagem Arduino Uno. Para ilustrar esse sistema, foi desenvolvido um protótipo que simula a automação dos ambientes de uma residência que conta com uma fechadura eletrônica, um sensor de porta aberta, temperatura, umidade, presença e lâmpadas LED (Light Emitting Diode), controladas e dimerizadas. Todos esses equipamentos, conhecidos como drivers, são conectados ao Módulo de Automatização Residencial, responsável por transmitir informações captadas pelos sensores e receber comandos provenientes do dispositivo móvel. O módulo Ethernet Shield, é conectado ao Módulo de Automatização Residencial, utilizado para conexão com a internet via roteador WI-FI, em uma rede local (LAN). A tecnologia Android utilizada em um dispositivo móvel, seja um tablet ou smartphone, tem como finalidade a interface entre o usuário e a residência controlada. Como diferencial, este projeto apresenta a possibilidade de controlar e monitorar diversos parâmetros e equipamentos de uma residência, e visa promover maior acessibilidade à automatização residencial. Palavras-chave: Automatização Residencial, Segurança Residencial, Conforto.

6 ABSTRACT The objective of this project is to monitor and control residential automation devices through an Android mobile device with internet access using the Residential Automation Module, which is developed on the Arduino Uno prototyping kit. To exemplify this system was developed a prototype that simulates a residence, with an electronic locker, open door sensor, temperature monitor, humidity monitor, presence sensor and controlled and dimmed LED (Light Emitting Diode) lamps. All these devices, also known as drivers, are connected with the Residential Automation Module which is responsible to transmit all information captured by the sensors and receive and process commands send from the mobile device. Ethernet Shield, which is a module connected to the Residential Automation Module, is used to connect through internet Wi-Fi router in a local area network (LAN). The Android technology used on a mobile device, which can be a tablet or smartphone, is used as an interface between the user and the controlled residence. As a differential, this project can control and monitor various parameters and equipment of a residence, and provide greater accessibility to the home automation system. Keywords: Safety. Comfort. Residential Automation.

7 OBJETIVO Demonstrar que as plataformas utilizadas em código aberto (Android e Arduino), permitem a monitoração de inúmeros equipamentos e eletrodomésticos, por meio da tecnologia sem fio. Desta forma, contribuir com a popularização da automatização residencial.

8 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ADK Android Development Kit. ADT - Android Development Tools. ANSI - American National Standard Institute. AP - Access Point. CDMA - Code Division Multiple Access. DNS - Domain Name System. DVM - Dalvik Virtual Machine. ICSP - In Circuit Serial Programming. IDE Integrated Development Environment. IEEE - Institute of Electrical and Eletronics Engineers. IP - Internet Protocol. JPEG - Joint Pictures Expert Group. JVM - Java Virtual Machine. LAN Local Area Network. LDR - Light Dependent Resistor. LED Light Emitting Diode. MIMO - Multiple Input-Multiple Output. OHA - Open Handset Alliance. OSI - Open Systems Interconnection. PCI - Placa de Circuito Impresso. PLC - Power Line Carrier.

9 PWM - Pulse Width Modulation. SDK - Software Development Kit. SMTP - Simple Mail Transfer Protocol. SPI - Serial Peripheral Interface. TCP - Transmission Control Protocol. UDP - User Datagram Protocol. WI-FI - Wireless Fidelity. XML - extensible Markup Language.

10 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO INTERFACE ANDROID Introdução Sistemas Operacionais Aplicação para Android OS Interface Java Detalhamento da Tecnologia Java Máquina Virtual Dalvik Eclipse Estrutura do Programa Fluxo do Programa PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO (TCP/IP) Modelo OSI (Open Systems Interconnection) REDES SEM FIO Wireless Wi-Fi HARDWARE Arduino Uno Descrição Módulo de Automatização Residencial Descrição Estrutura do Programa Ethernet Shield Descrição Sensor de Presença Sensor de Temperatura e Umidade Sensor de Luminosidade Sensor de Porta Aberta Fechadura Eletrônica Protótipo SOFTWARE... 43

11 6.1. Linguagem de Programação Interpretador Compilador Linguagem C História Visão Geral Estrutura de Programação Diretivas de Compilação Variáveis e Constantes Tipos de Variáveis Operadores Instruções Funções Comentários CONCLUSÃO REFERÊNCIAS... 54

12 9 1. INTRODUÇÃO Automação Residencial surgiu no final da década de 70 nos Estados Unidos, com funções atualmente simples, como a programação via PLC (Power Line Carrier) para o acionamento de uma lâmpada ou algum eletrodoméstico. Na década de 80 quando companhias com a Leviton e X-10 Corp começaram a desenvolver sistemas de automação predial, alcançando 4 milhões de edifícios e casas já no ano de 1996 (Bolzani, 2004, p.59). Com a chegada da internet esse mercado tomou um novo rumo, que além de abrir novas possibilidades para o controle e monitoramento remoto, despertou o interesse e a popularização dessa tecnologia, antes vista como luxo, que passou a ser instrumento de conforto e segurança. Sobretudo esse mercado está em pleno crescimento. Prova disso é que metade dos prédios hoje em construção em São Paulo conta com algum tipo automação residencial, e construtoras conceituadas possuem dos seus dez lançamentos imobiliários em 2010, nove com automação residencial. As tarefas e compromissos domésticos e cotidianos são inúmeros, o que torna muito útil o uso de tecnologias que proporcionam maior conforto e segurança a vida do usuário, além de poupar tempo e dinheiro. Com a automatização residencial, tecnologia que possibilita ao usuário ter total controle de sua casa, à distância, via dispositivo móvel ou computador com acesso à internet, é possível ter soluções diversificadas em controle e monitoração de residência ou estabelecimento comercial tais como; Temperatura e Umidade, Acesso e Segurança, Aparelhos Domésticos, Abertura ou Fechamento de janelas e persianas, Iluminação, Áudio e Vídeo. A automação residencial é cada vez mais procurada pelas pessoas. Nos últimos 4 anos, o serviço cresceu 300%, segundo a Aureside, a associação brasileira do setor.

13 10 2. INTERFACE ANDROID 2.1. Introdução No programa desenvolvido o objetivo da interface é interagir com o usuário de uma forma simples, que através de seus métodos e características, envie comandos e receba respostas em um dos módulos do sistema, e sempre apresentar ao operador a forma mais simples e natural de se executar uma ação do sistema. A interface do usuário desenvolvida utiliza o sistema operacional Android, justificado por ser durante o período em que o projeto foi desenvolvido, o sistema open source mais utilizado no mundo, segundo a TELECO Sistemas Operacionais O mundo da telefonia móvel nunca esteve tão aquecido quanto às demandas do mercado consumidor. De acordo com a consultoria TELECO, as fabricantes de smartphone (telefone celular com funcionalidades avançadas) estão em pleno crescimento. Com foco neste mercado em constante crescimento, diversas empresas, entre elas a Google, juntaram-se para formar, em novembro de 2007, a OHA (Open Handset Alliance) e lançar a plataforma Android. Every day more than 1 million new Android devices are activated worldwide (Developer.Android 2012) Como o Android detém 81,5% de participação do mercado, pode-se atingir a grande maioria dos usuários de dispositivos moveis. Por ser um Sistema Operacional de Código Aberto, a quantidade de documentação é de maior abrangência do que o seu maior concorrente (ios da Apple), além de custo zero para desenvolver aplicativos e o licenciamento para publicação com menor custo.

14 11 Há diversas versões do sistema Android, que sempre acompanham a evolução de hardware dos dispositivos contemporâneos ao seu lançamento, que oferecem mais recursos de processamento, economia de energia e telas maiores Aplicação para Android OS Aplicações para Android são desenvolvidas em Java. O código, depois de compilado, é empacotado juntamente com outros recursos utilizados pela aplicação, em um pacote com o sufixo.apk que executa através da Máquina Virtual Dalvik, chamada aqui de DVM (Dalvik Virtual Machine). Este pacote é o meio de distribuição para que os usuários instalem as aplicações em seus dispositivos. Cada aplicação é executada seu próprio processo e cada processo tem a sua DVM. Para cada aplicação é designado uma identificação de usuário no Kernel Linux único e as permissões de acessibilidade de recursos são dadas de forma que os arquivos fiquem visíveis apenas para a aplicação dona. Uma aplicação pode ter vários pontos de entrada. Elas são criadas com a utilização de componentes que são instanciados somente no momento em que são necessários. São quatro tipos de componentes: atividades, serviços, provedores de conteúdo e receptores de Difundidores. Atividade usualmente corresponde à geração de uma interação através da tela para o usuário. Serviços não geram uma interface visual, nem as possuem e são utilizados para executar atividades em segundo plano. Os provedores de conteúdo têm o objetivo de disponibilizar dados de uma aplicação para outras aplicações. Já os receptores de Difundidores são componentes ociosos e respondem somente a eventos. Com exceção dos provedores de conteúdo, todos os componentes são inicializados através de mensagens assíncronas. Intent é o objeto que possui a mensagem com a ação a ser executada. Para iniciar uma atividade deve-se enviar um Intent com a especificação desta intenção. Há os tipos de Intents explícitos e Intents implícitos. Os Intents implícitos, o componente que deve ser executado está definido explicitamente. Nos Intents

15 12 implícitos, a escolha do componente é realizada pelo sistema operacional que se baseia em critérios pré-definidos, que determinam o componente que retorna a melhor intenção neste determinado momento. O pacote.apk possui um arquivo de manifestação onde estão especificados os componentes desta aplicação. Possui estrutura XML, utilizado para declaração das bibliotecas aplicadas, permissões, versão do programa e requisições para ser executado. Ao primeiro componente da aplicação que deva ser inicializado, um processo com uma única linha é executado. Por padrão, todos os componentes da aplicação são executados nesta linha. Existe no Android um mecanismo que permite chamar procedimentos remotos executados em outros processos ou aplicações. Caso a memória estiver ocupada, o Android pode destruir um processo. Por consequência, os demais componentes da aplicação que estão em execução também são destruídos. Para tomar esta decisão, releva-se a importância dos processos para o usuário, já que o sistema destruirá primeiro os processos que possuem atividades que já não são utilizados pelo usuário. Os componentes da aplicação têm ciclos de vida determinados, que iniciam quando são instanciados e finalizam ao serem destruídos. Quando executados, seus estados podem ser alterados indefinidamente. Atividades possuem os estados ativos, em pausa e paralisados. As transições destes estados são informadas através de chamadas de métodos específicos, observado na figura 1. Métodos são utilizados principalmente para realizar ações apropriadas para determinada alteração de estado.

16 13 Figura 1 - Ciclo de Vida de uma Atividade. Fonte: Autoria Própria. O tempo entre o acionamentos dos métodos onstart() e onstop(), a atividade poderá ser observada pelo usuário. Entre os métodos onresume() e onpause() a atividade priorizada em relação de todas as demais atividades e o usuário está em interação com ela. Pelo fato de o onpause() ser o método especifico que cuja chamada é garantida antes do processo ser eventualmente destruído, ele deve ser utilizado para armazenar informações para posterior restauração. Devido atividades e serviços também possuírem estados e métodos de ciclo de vida que podem ser implementados com o objetivo de responder a mudanças de estado. Os receptores de Difundidores possuem apenas o método de ciclo de vida é chamado no instante em que a mensagem chega ao método e o componente é considerado ativado somente enquanto estiver em execução do método, ou de outra maneira, durante a reação da mensagem Interface No sistema operacional Android a interface com o usuário está construída na forma de hierarquia de objetos View e ViewGroup. Com esta hierarquia, que é representada em forma de árvore, os pontos extremos são do tipo View e a ramificação é do tipo ViewGroup, como na Figura 2 apresentada abaixo. Uma instância View é responsável por controlar uma área específica da tela, que serve de base para implementar objetos como texto ou botões, conhecidos como widgets. ViewGroup é uma classe base para layouts, sua meta é organizar os objetos na tela.

17 14 Figura 2. ViewGroupe View View View ViewGroup View View Fonte: Autoria Própria. A organização dos objetos pode ser de forma automática, em uma região específica da tela de forma linear, de forma relativa ou de forma absoluta. Para cada tipo, deve-se utilizar um layout próprio. Como exemplo, os objetos filhos do ViewGroupLinearLayout são distribuídos na tela linearmente e os filhos do ViewGroupAbsoluteLayout, de forma absoluta. É possível especificar as coordenadas ou tamanho do componente a ser implementado na tela, mas deve-se evitar esta ferramenta. A organização em layouts ajustáveis possui uma característica que lhe dá vantagem, pois possibilita uma adaptação de forma mais adequada da interface da aplicação às diferentes resoluções de tamanhos distintos de telas dos dispositivos nos quais pode ser executada. O ADK disponibiliza diversos Widgets e layouts que permitem criar uma interface rica com seu utilizador. De qualquer forma, caso haja necessidade, podese criar e adicionar componentes próprios. Se o objetivo é customizar objetos de forma harmoniosa, pode-se aplicar estilos e temas.

18 Java A definição utilizada no próprio site Java não é de uma linguagem de programação, mais sim um conjunto de ferramentas que juntas formam uma tecnologia que atualmente atraiu mais de 9 milhões de desenvolvedores de software Utilizados em diversos seguimentos. Dentre os dados sobre a tecnologia pode-se destacar que mais de 1,1 bilhão de Desktops, 3 bilhões de celulares (smartphones ou não) e 100% dos reprodutores Bluray utilizam a tecnologia Java. Esta se faz presente desde uma casa lotérica, consultório médico ou até em um estacionamento pode haver algum dispositivo que possua esta tecnologia embarcada Detalhamento da Tecnologia Java subdividirem: Para entender melhor a definição do termo Tecnologia Java deve-se Linguagem de programação; o Baseia-se na linguagem propriamente dita, geralmente escrita em textos e salva com a extensão de arquivo *.Java, compilada para ser executada na JVM, detalhada abaixo. o Java Script que muitas vezes não é definida como linguagem de programação, pois não é compilada para ser executada pela máquina, porém suas características de lógica e parâmetros assemelham-se com a linguagem. Plataforma embarcada; o Maquina Virtual Java - JVM Java Virtual Machine. o Interface de programação e Java API Java Application Programming Interface.

19 16 A Figura 3 demonstra as subdivisões da Tecnologia Java atuando em conjunto. Figura 3 - Execução de um Programa Exemplo. Fonte: ORACLE. Aboutthe Java Technology.Disponível em: < (com adaptações). Acesso em: 07 mar Detalhamento do processo: 1. O programa escrito em texto comum, como por exemplo, MeuPrograma.Java deve ser interpretado. 2. O Compilador interpreta o texto como uma sequência de instruções e o transforma em um arquivo que pode ser interpretado pela JMV. 3. O programa compilado, também conhecido como arquivo binário, pois está na mesma linguagem da máquina. Como demonstrado no campo 1, agora o arquivo tem a extensão.class. 4. Com o Arquivo binário, a Máquina Virtual pode interpretar os comandos, realizar a interface entre o usuário, executar as funções descritas no programa e acessar o hardware do dispositivo. 5. A Máquina Virtual Java nada mais é do que um programa que simula uma máquina padrão Java porem é capaz de integra-se junto a diferentes tipos de hardware. 6. O equipamento então executa o programa inerente ao usuário, que utiliza o programa como se fosse nativo ao produto. Fica evidente que um programa Java pode ser executado nos mais diversos dispositivos, independente do sistema operacional que o executa, desde que seja capaz de executar o programa da Máquina Virtual (JVM). Esta característica é apresenta como ponto positivo a diversidade de equipamentos que podem ser programados. Porém, na pratica, deve-se sempre observar qual dispositivo será o

20 17 destinatário do programa, devido a diferentes características de hardware como, por exemplo, o tamanho da tela de um smartphone Máquina Virtual Dalvik A interface do usuário será programada em Java em um dispositivo de sistema operacional Android. Este possui uma característica que o diferencia dos demais dispositivos que utilizam o Java: Ele não possui Máquina Virtual Java (JVM). Pode parecer contraditório em um primeiro momento, que sem a máquina virtual o programa compilado não pode ser compreendido diretamente pelo sistema operacional do dispositivo, mas o ponto é que o Android possui sua própria máquina virtual, A Máquina Virtual Dalvik. Esta máquina virtual tem certa semelhança com a JVM, se diferencia nos seguintes pontos: Consolidação dos pools de constantes dos arquivos *.Class, reduz o tamanho do programa. Desempenho melhorado, tanto em consumo de energia, quanto em velocidade de processamento devido à redução do programa. Segurança contra softwares mal-intencionados, pois ao padronizar as classes, acessos suspeitos podem ser analisados e interrompidos pela Máquina Dalvik Eclipse Para desenvolver a interface do usuário, foi selecionado o IDE Eclipse (última versão disponível no início do projeto), por ser um ambiente de desenvolvimento gratuito muito difundido na atualidade deste projeto, além de que é o recomendado pelas referências oficiais também por assimilar ao plugin oficial para o kit de desenvolvimento de software, o ADT (Android Development Tools) em sua última versão. Foi cogitada a utilização da IDE Netbeans como alternativa ao Eclipse, porém como a grande parte de documentação está baseada em Eclipse que

21 18 também pode invocar métodos instantaneamente ao desenvolver códigos além de que o ADT ser projetado para integração com Eclipse. Por este motivo o uso do Netbeans foi descartado. O plugin torna mais fácil criar arquivos XML, editar layouts, gerenciar o uso de recursos com integração sinergética com o emulador. Apesar da não obrigatoriedade do uso do ADT, este proporciona produtividade no desenvolvimento do programa. O SDK do Android é fundamental no desenvolvimento de aplicativos, pois contém toda estrutura de arquivos e bibliotecas, além de ferramentas para compilar o código. Neste trabalho foram utilizados os pacotes da versão (5.0). Estão presentes ferramentas de apoio, como o emulador, capaz de simular um dispositivo Android. O SDK é de fácil familiarização, tanto com ambiente quanto com as ferramentas importantes, assim como ocorreu com documentações pesquisadas e com o plugin. A integração do ADK é simples, basta executar o comando HelpInstall New Software e selecionar o pacote baixado do ADK do site.

22 Estrutura do Programa O programa é somente um bloco do sistema completo que tem seu diagrama ilustrado na figura abaixo: Figura 4 - Visão Geral do Sistema Fonte: Autoria Própria O usuário seleciona uma das funções através do dispositivo móvel que por sua vez conecta-se ao circuito controlador formado pelo Módulo de Automação Residencial e a Ethernet Shield que processa as informações enviadas pelo usuário e comanda o circuito driver que faz o acionamento do objetivo inicial, como ascender uma lâmpada ou abrir uma porta. Para que o sistema seja harmonioso quanto a sua utilização e para que se obedeça A uma lógica intuitiva, foi projetado o fluxo de atuação da interface de usuário, onde todo a programação da interface do usuário e do circuito atuador foi baseada Fluxo do Programa O fluxo foi pensado de forma que o usuário possa ativar o programa a qualquer momento e o circuito atuador mantenha os seus estados até que receba um comando do dispositivo móvel, caracterizada como configuração Mestre- Escravo. A figura a seguir ilustra a parte de interface do usuário:

23 20 Figura 1 - Fluxo de Funcionamento do Aplicativo. Fonte: Autoria Própria. Figura 6 - Tela do Programa Instalado no Dispositivo Android. Fonte: Autoria Própria.

24 21 Ao abrir o programa é criada uma atividade que apresenta o menu em forma de aba, nesta o usuário pode optar por navegar por funções ou pelos cômodos da residência. Assim que o usuário seleciona uma função, como acender uma lâmpada, por exemplo, é enviada através da rede (interna ou externa) para o atuador (Módulo Automatização Residencial + Ethernet Shield) que por sua vez envia uma mensagem de resposta para informar que a função foi recebida e executada, além da possibilidade de armazenar as informações em seus registradores internos. A estrutura de dados é dada pelas três abas principais: 1. Ambiente - Aba que separa as funcionalidades pelos cômodos da residência, para que se o usuário quiser controlar todas as funcionalidades do ambiente ao qual ele está localizado no momento. Possui as seguintes subdivisões. a. Sala - Comanda todas as funções do cômodo sala; i. Luzes; ii. Temperatura; iii. Porta. b. Quarto - Comanda todas as funções do cômodo; i. Luzes; ii. Temperatura; iii. Porta. c. Cozinha - Comanda todas as funções do cômodo; i. Luzes; ii. Temperatura; iii. Porta. d. Piscina - Comanda todas as funções do cômodo; i. Filtrar; ii. Encher; iii. Esvaziar. e. Sair- encerra o programa;

25 22 Figura 7 - Tela do Programa na Aba Ambiente Fonte: Autoria Própria. 2. Funções - Aba que segrega as principais funções como Luzes, temperatura, portas, segurança. O objetivo é proporcionar a comodidade e facilidade ao usuário para que, como exemplo, controle todas as luzes, independente do cômodo. a. Luzes - comanda todas as luzes, independente do cômodo; i. Luzes da sala; ii. Luzes do quarto; iii. Luzes da cozinha; iv. Luzes externas. b. Temperatura- informa a temperatura de todos os cômodos da residência; i. Temperatura da sala; ii. Temperatura do quarto; iii. Temperatura da cozinha; iv. Temperatura externa; v. Temperatura da agua da piscina. c. Acesso - Controla todos os acessos da casa; i. Porta da sala ii. Porta de acesso ao quintal; iii. Portão da garagem.

26 23 d. Segurança - Monitora os acessos através de câmeras de vídeo. e. Equipamentos - Para equipamentos que podem ser acionados por uma tomada especifica ligada ao dispositivo acionador. f. Som & TV - São dispositivos de áudio e vídeo que podem ser ligados através de uma saída especifica do dispositivo acionador; g. Sair - Encerra o programa. Figura 8 - Tela do programa na Aba Funções. Fonte: Autoria Própria. 3. Configurações - Aba destinada a configurar o programa para ajustar o dispositivo controlador. a. Conexão- configura o tipo de conexão da rede para acessar o dispositivo acionador: i. Número do IP do acionador. ii. Portas. b. Adicionar Função; i. Adiciona uma função de atalho c. Adicionar Domotic. i. Adiciona mais um dispositivo acionador. d. Sobre - Informações sobre o programa como versão e desenvolvedores. e. Sair-termina o programa.

27 Aba Ambiente Aba Funções Aba Configurações 24 Figura 9 - Tela da aba Configurações. Fonte: Autoria Própria. Descrição do programa: Sala Quarto Cozinha Piscina Sair Figura 10 - Descrição da Interface do Programa. Luzes Temperatura Acesso Equipamentos Som & Tv Segurança Sair Fonte: Autoria Própria. Perfil Conexão Sobre Sair De uma forma sucinta, a hierarquia do programa obedece a ordem de que as abas são elementos principais de navegação do aplicativo, e as funções são

28 25 segregadas conforme as abas de Funções e Ambientes. A Aba configuração é o elemento utilizado principalmente na primeira utilização do programa. O envio e recebimento de mensagens são feitos sobre a camada OSI, onde o estudo apresentado sobre ethernet e redes foi de fundamental importância para o desenvolvimento. Figura 11 - Hierarquia das Funcionalidades do Programa. Abas Funçoes Configurações Envia comando Lê funções Ajustes para conexão Fonte: Autoria Própria. 3. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO (TCP/IP) Os Protocolos TCP (Transmission Control Protocol) e IP (Internet Protocol) são usados na comunicação de dados entre dois microcomputadores ou entre um microcomputador e um servidor numa rede, são ferramentas fundamentais para a internet. Eles funcionam como um interprete de informações entre duas máquinas, onde coletam informações desejadas, depois elas são empacotadas para o formato de rede que o requisitante utiliza em sua rede. Na verdade, TCP/IP não é apenas um protocolo, e sim um conjunto de protocolos, que trabalham em parceria para enviar e receber dados de uma rede ou um servidor. Quando ocorre uma solicitação na rede, o endereço de IP do computador é identificado junto ao endereço de IP da rede de onde vai ser retirada a informação requisitada, depois essas informações são organizadas em pacotes. Toda essa rotina é coordenada pelo Protocolo IP.

29 26 Quando esses pacotes IP são enviados, passam por diversos computadores ou servidores pela rede, o que cria a possibilidade de se perderem no caminho ou chegarem danificados. Para que essa falha na transmissão de dados não ocorra, o Protocolo TCP tem a função de: Verificar se o destinatário está pronto para receber os dados. Identificar os pacotes recebidos e requisitar um novo, caso algum pacote chegue com problema. Comprimir grandes pacotes de dados para que o IP os aceite. Como já mencionado os Protocolos TCP/IP são um conjunto de Protocolos, esses protocolos atuam em diferentes camadas do Modelo OSI Modelo OSI (Open Systems Interconnection) O Modelo de Referência OSI é utilizado no tráfego de rede, se houver alguma solicitação na rede essa solicitação tem que se transformar naquilo que o usuário quer para um formato que possa ser entendido pela rede. Essa transformação é possível através das sete camadas que formam o Modelo OSI. Na rede, as sete camadas do Modelo OSI, funcionam como blocos na construção de um pacote de dados. Cada camada aplica uma informação ao pacote de dados, que são os cabeçalhos, para que a informação seja mais clara para a camada seguinte a ser percorrida pelos dados. Ao chegarem ao computador de destino, fazem o caminho de volta para desfazer as alterações feitas pelos cabeçalhos. Cada camada do Modelo OSI tem uma função particular explicada a seguir: A. Camada de Aplicação; É a sétima camada do Modelo OSI responsável por interagir com o aplicativo que o usuário utiliza, sincroniza os dados que trafegam entre servidores e usuários, manipula funções como transferências de arquivos, gerenciamento da rede e serviços de processos. Alguns exemplos de transformação de dados na camada de Aplicativo são:

30 27 Acessar um site no seu navegador colocará uma solicitação na camada Aplicativo para conversão do nome por meio do DNS (Domain Name System), que é a tradução do IP para o nome do site. Se um usuário envia um , a camada de Aplicativo fornece o acesso ao serviço do Simple Mail Transfer Protocol (SMTP), que é o servidor do provedor de acesso encarregado de enviar s. B. Camada de Apresentação: A sexta Camada é a tradutora do Modelo OSI, tem a função de transformar as informações enviadas pela Camada de Aplicação em um formato aceitável pelas outras camadas. É nela que também é feita a compactação, decodificação de dados e controle de todas as funções de áudio e vídeo. Abaixo alguns exemplos de serviços que atuam na Camada de Apresentação: Real Vídeo (Software de execução de áudio e vídeo); Jpeg (Arquivo de imagem); MP3 (arquivo de áudio). C. Camada de Sessão: Graças a essa Camada, dois diferentes computadores com o mesmo aplicativo se comunicam através do nome de usuário do computador e credenciais de rede. A Camada de Sessão gerencia essa conexão virtual e confirma com o outro computador quais dados foram recebidos. Se o sistema identificar uma falha na comunicação, a camada de sessão recomeça a transferência a partir do dado perdido ao invés de recomeçar toda a transferência. D. Camada de Transporte: A função desta camada é monitorar e facilitar a transmissão de dados, através de duas rotinas. Na primeira, desmonta o pacote de dados transmitidos, que geralmente ocupa o espaço de 4096 bytes, e monta em pacotes menores de 1500 bytes, esses blocos de pacotes menores que são montados são chamados de segmentos.

31 28 Na segunda, o cliente receptor envia uma confirmação de recebimento de um pacote de dados ao remetente. Na falta desta confirmação, o mesmo pacote será retransmitido. É na Camada de Transporte que os protocolos TCP e UDP (User Datagram Protocol) funcionam. A principal diferença entre eles é que, o TCP, possui uma entrega de dados mais confiável, enquanto o UDP, não segue a rotina de confirmação de recebimento de dados, porém sua transmissão é mais rápida. E. Camada de Rede Essa camada do Modelo OSI é responsável pelo endereçamento e roteamento da Rede, é considerada uma das camadas mais importantes na transmissão de dados. Sua principal função é criar uma rota mais fácil e rápida para o tráfego de dados, dessa forma desvia de percursos mais congestionados que atrasariam esse processo. Essa rota é criada a partir do momento que a Camada de Transporte envia seus segmentos e logo os converte em pacotes, que são enviados à Camada de Enlace para receberem um endereçamento e em seguida enviados para Camada de Rede no intuito de funcionarem como um explorador. Ao chegar a seu destino, as informações do remetente são divididas em faixas e armazenadas em uma tabela. Quanto mais informações essa tabela adquire mais completo é o roteamento da rede. Todo IP tem um endereço com a forma padrão de, 4 seções de 4 bytes cada um ou 32 bits. Como por exemplo, o endereço de IP Para uma melhor organização, os endereços de IP foram divididos em 5 grupos demonstrados abaixo: Endereços da Classe A: Utilizam o primeiro byte para informar o endereço da rede, que podem variar de 1 a 127 e os 3bytes restantes informam o host, que é o endereço da máquina do usuário na rede. Um exemplo de endereço dessa classe é

32 29 Endereços da Classe B: Utilizam os 2 primeiros bytes para identificar a rede e os 2 bytes restantes para identificar o host, variam de 128 a 191. Um exemplo de endereço dessa classe é Endereços da Classe C: Utilizam os 3 primeiros bytes para o endereçamento da rede e o último byte para o host, variam de 192 a 223. Endereços da Classe D: São utilizados apenas para multicasting, que são pacotes enviados a uma faixa especifica de hosts, variam de 224 a 239. Endereços da Classe E: Endereços reservados para uma utilização futura variam de 240 a 255. Para o Protocolo IP distinguir numa rede o endereço de host do endereço de rede, utiliza a máscara de sub-rede, que identifica os endereços de rede e preenche as 4 seções de byte com 1 em binário, e valor máximo de 255 para cada seção conforme sua classe de rede como mostra tabela abaixo. Tabela 1 Classes dos Protocolos IP. Fonte: PINTO, Pedro. Redes Classe de Endereços IP, Sabe Quais São?. Disponível em: < Acesso em: 07 mar Por exemplo, os endereços da Classe A, utilizam o primeiro byte para a rede, portanto para o endereço de IP seu endereço de sub-rede será Para endereços da Classe B que utilizam os 2 primeiros bytes para a rede, como por exemplo o endereço de IP , o endereço de sub-rede será Para os endereços da Classe C, por exemplo o endereço de IP seu endereço de sub-rede será

33 30 F. Camada de Enlace de Dados. A segunda camada do Modelo OSI, é responsável por verificar se os parâmetros de mapeamento realizado pela Camada de Rede são confiáveis. Para isso a Camada de Enlace de Dados realiza um teste de redundância, que é o cálculo de paridade do pacote de dados, esse teste é realizado tanto no pacote de dados do remetente como no do receptor. Se o resultado é semelhante a informação é armazenada, do contrário descartada. E. Camada Física Conhecida também como camada de hardware é ela que define as especificações do tipo do cabo ou tipo do conector a ser usado na transmissão de dados, além de limitar os níveis de tensão e corrente usados. 4. REDES SEM FIO 4.1. Wireless É conhecida como uma conexão wireless qualquer comunicação entre dois aparelhos eletrônicos sem a utilização de fios. Como exemplo a comunicação entre o controle remoto e uma TV, por transmissão via infravermelho. Há diversos tipos de tecnologia wireless, entre as mais famosas estão; Wi-Fi, Bluetooth e 3G/4G. A principal utilização de tais tecnologias é para a conexão entre um dispositivo móvel e a Internet, que é justamente a condição que se encontra no presente projeto, para que o usuário consiga utilizar das funções que a Automação Residencial disponibiliza. Os principais elementos em uma rede sem fio são; A. Hospedeiros Sem Fio São os equipamentos no qual o usuário final executa os aplicativos. Exemplos desses equipamentos são laptop s e celulares.

34 31 B. Enlaces Sem Fio São tecnologias de transmissão de dados utilizadas para comunicar os hospedeiros sem fio a estação base (explicada a seguir). Possuem taxas de transmissão diferentes e tem diferentes autonomias em distâncias, o Wi-Fi é um exemplo dessa tecnologia. Essa situação é conhecida como modo de infraestrutura, se houver situação em que um hospedeiro sem fio se comunica sem uma estação base, será denominada como rede ad hoc. Nesse tipo de rede os próprios hospedeiros sem fio fazem os serviços de transmissão de dados e roteamento. C. Estação Base Responsável pelo envio e recebimento de dados, faz a comunicação entre o hospedeiro sem fio e uma rede ou internet. Uma torre de celulares ou um Roteador Wireless, também conhecido como Access Point (AP) ou Pontos de Acesso, são exemplos de Estação Base. D. Infraestrutura de Rede É a rede máxima com a qual o Hospedeiro sem Fio pode se comunicar. Na transmissão de dados sem fio é possível haver obstáculos que dificultam seu perfeito funcionamento. Entre eles estão a redução da força do sinal devido a barreiras física ou até mesmo por distância máxima atingida entre o hospedeiro sem fio e a estação base, interferência de outras fontes que operam na mesma faixa de frequência, propagação multi-vias que ocorre quando objetos que se movimentam entre o hospedeiro sem fio e a estação base, e fazem com que as ondas eletromagnéticas se percam no caminho. Para toda comunicação de dados é necessário um protocolo de comunicação, em redes sem fio é utilizado um protocolo bem específico, já que há maiores possibilidades de erros na transmissão do que uma rede cabeada. Esse protocolo se chama CDMA (Code Division Multiple Access) que significa Acesso Múltiplo por Divisão de Código.

35 32 Todos os usuários usam a mesma frequência por isso para diferencia-los é utilizado um sistema que codifica cada bit enviado pelo usuário através da multiplicação do bit, com isso muda sua velocidade, chamada de velocidade de chipping. Há subdivisões do protocolo CDMA, por exemplo, o CDMA-ONE que é utilizado na tecnologia 2G para acesso a internet via celular e a W-CDMA que é o 3G Wi-Fi Conhecida também como padrão IEEE (Instituite of Electrical and Eletronics Engineers) a tecnologia Wi-Fi é a que geralmente é usada para conectar um laptop à internet em ambientes externos como cafés, restaurantes ou instituições de ensino. Abaixo tabela dos principais padrões e seus detalhes; Tabela 2 Detalhes dos Padrões PADRÃO b a g n Frequência (GHz) 2,4 5,7 2,4 5 Banda ISM UNII ISM ISM,UNII Alocação de (MHz) Taxa Máxima de Transmissão (Mbps) Custo Reduzido Rápido, Rápido e Taxa de dados Vantagens e intervalo de menos intervalo de satisfatórias Frequência propenso frequência e intervalo Satisfatório a interferência satisfatório apropriado Lento, propenso Custo mais Propenso a Desvantagens a interferências elevado, interferências intervalo de frequência mais curto Fonte: SALVO, Rodrigo. Wireless Wlan Introdução.Disponível em:< Acesso em: 07 mar.2015.

36 33 Pela tabela fica claro que os quatro padrões possuem algumas características semelhantes. Todos podem aumentar o limite de alcance de sinal e diminuir sua taxa de transmissão, também trabalham tanto no modo de infraestrutura como no modo de ad hoc. Já em outros conceitos existem suas diferenças, o padrão b como trabalha na faixa de frequência de 2,4Ghz e taxa de dados de 11Mbps, a mesma frequência que um telefone, pode ocorrer interferências. O padrão ª pode trabalhar com taxas de bits mais altas, mas em faixas de frequência mais altas, com isso é prejudicada no limite de sinal atingido. O Padrão IEEE n possui mais de um grupo de transmissores e receptores de saída e entrada múltipla, que recebe e transmiti sinais diferentes, essa tática é conhecida como MIMO (Multiple Input- Multiple Output) dessa forma foi atingida a tão esperada taxa de transmissão de mais de 100Mbps. Usuários de redes Wi-Fi sabem que é muito comum haver mais de uma rede Wi-Fi disponível para cada hospedeiro sem fio, já que nos dias de hoje a maioria dos roteadores doméstico ou corporativos contam com a tecnologia Wireless, o que possibilita diversas redes Wi-Fi que trafegarem pela cidade. Porém para se obter o sinal de internet através dessas redes, o hospedeiro sem fio deve se comunicar somente com uma rede sem fio, que estabelece um envio e recebimento de dados único. Ao instalar um AP (Access Point), que pode ser um roteador Wireless, é configurado no equipamento o SSID-Service Set Identifier (Identificador de Conjunto de Serviços). Se o usuário acessa em seu dispositivo móvel, a opção veja redes disponíveis mostra uma lista de SSID de cada AP nomeada pelo administrador de cada rede. Para se conectar ao AP geralmente os administradores de rede utilizam uma senha e usuário, mas também há outras formas de fazer essa autenticação. Após essa autenticação o hospedeiro envia uma solicitação via DHCP á subrede para adquirir um endereço IP, com esse endereço a Rede Internet identifica o usuário e conclui o processo de autenticação.

37 34 5. HARDWARE Composto pelo Módulo de Automatização Residencial, Ethernet Shield, e sensores são responsáveis pela gerência, controle, supervisão, processamento, envio e recebimento das informações para dispositivo móvel Arduino Uno Desenvolvido pelo professor Massimo Banzi, em 2005, com o intuito de criar uma ferramenta de ensino de eletrônica e programação aos seus alunos do curso de design que a necessitavam para seus projetos de arte. Com a ajuda do engenheiro espanhol, David Cuartielles, e um de seus alunos, David Mellis, o professor criou com sucesso a placa nomeada de Arduino Uno. Daí em diante tornou-se referência no aprendizado de programação de micro controladores, devido sua facilidade em interagir com o usuário. Prova de tal popularidade é que no ano de 2006 foi premiado com uma menção honrosa pela Prix Ars Electronica, importante prêmio de arte e tecnologia promovido desde 1987 pela empresa austriaca Ars Electronica, na categoria comunidades digitais, e até outubro 2008 alcançou a incrível marca de unidades vendidas. Sua versão original, Uno, é fabricada pela companhia italiana Smart Projects, porém existem versões derivadas fabricadas pela americana Spark Eletronics. Figura 12 - Arduino Uno R3. Fonte: ARDUINO. Arduino Uno. Disponível em: < Acesso em: 07 mar.2015.

38 Descrição É um kit de desenvolvimento baseado no microcontrolador ATmega 328. Possui 14 pinos de entrada/saída digital dos quais 6 podem ser usados como saídas PWM (Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso), 6 entradas analógicas, um cristal oscilador de 16MHz, uma conexão USB, uma entrada de alimentação uma conexão ICSP (In Circuit Serial Programming ou Programação Serial no Circuito) e um botão de reset. Ele contém todos os componentes necessários para suportar o microcontrolador. Características: Tabela 3 Características Arduino Uno. ARDUINO. Tensão Operacional: 5Vdc; Tensão de entrada (recomendada): 7~12Vdc; Tensão de entrada (limites): 6~20Vdc; Corrente CC por pino E/S: 40 ma; Corrente CC para o pino 3,3V: 50 ma; Memória Flash: 32 KB (ATmega328) dos quais 0,5KB são utilizados pelo bootloader; SRAM: 2 KB (ATmega328); EEPROM: 1 KB (ATmega328); Velocidade de Clock: 16 MHz; Fonte: Arduino Uno. Disponível em: < Acesso em: 07 mar Módulo de Automatização Residencial Os testes iniciais foram realizados com o kit de prototipagem Arduino Uno, porém houve a necessidade de uma placa que atende as necessidades especificas do projeto. Adquiriu-se então o Módulo de Automatização Residencial, uma placa baseada no kit Arduino Uno, porém dedicada as funcionalidades do projeto.

39 36 Figura 2 Placa do Módulo de Automatização Residencial. Fonte: Autoria Própria Descrição É uma PCI (placa de circuito impresso) dedicada ao projeto de Automatização Residencial. Conta com uma fonte Low Dropout, que regula qualquer tensão entre 4Vdc e 30Vdc para 3,3Vdc e 1 A de saída, quatro entradas de sinais digitais, dentre elas duas pré configuradas para entrada analógica, quatro saídas que suportam até 4,5A de corrente contínua ou até 8A de corrente pulsante, isoladas do por um circuito integrado (uln 2003A) que também amplifica a corrente de saída. Uma saída para dimerização de lâmpada à LED, cinco pinos configuráveis para entradas ou saídas de sinais. Conexão com o Módulo Ethernet Shield via SPI (Serial Peripheral Interface), protocolo síncrono de comunicação que opera no modo full duplex.

40 37 Características: Tabela 4 - Características do Módulo de Automatização Residencial. Tensão Operacional: 3,3Vdc; Tensão de entrada: 4~30Vdc; Corrente CC por pino E/S: 40 ma; Consumo de Corrente 200 ma; Memória Flash: 32 KB (ATmega328) dos quais 0,5KB são utilizados pelo bootloader; SRAM: 2 KB (ATmega328); EEPROM: 1 KB (ATmega328); Velocidade de Clock: 16 MHz; Fonte: Autoria Própria.

41 Estrutura do Programa Figura 14 - Fluxograma da Programação do Módulo de Automatização Residencial. Fonte: Autoria Própria.

42 Ethernet Shield Junto ao módulo de automatização residencial é utilizada a placa Shield Ethernet, que fornece conexão com uma rede ethernet, e possibilita o acesso a uma rede local e até mesmo a Internet. Abaixo segue foto ilustrativa do item citado. Figura 15 - Arduino Ethernet Shield. Fonte: ARDUINO Ethernet Shield. Disponível em: < Acesso em: 07 mar Descrição O módulo Arduino Ethernet Shield é baseado no chip Wizenet W5100, que fornece uma rede IP capaz de empilhar tanto TCP quanto UDP. Suporta até quatro conexões simultâneas. É conectada ao Módulo de Automatização Residencial por longos terminais, isso mantém a pinagem intacta e permite que outros conectores sejam acoplados. Possui um conector padrão RJ-45, que é integrado com um transformador de linha e Power Over Ethernet (Alimentação Sobre Ethernet) habilitado, que permite receber alimentação diretamente do cabo de rede, o Shield Ethernet tem integrado um slot de cartão de memória Micro-SD, que pode ser usado para armazenar arquivos para serem utilizados na rede. Possui também um controle de reset, para garantir que o módulo seja corretamente resetado:

43 40 IEEE802.3af; Baixa voltagem de Ripple (100mVpp); Tensão de entrada: 36-57V; Proteção contra sobrecarga e curto circuito; Saída 9V; Alta eficiência no conversor DC/DC; Isolação de 1500V de entrada e saída; 5.4. Sensor de Presença Utilizado para a detecção, o sensor ultrassônico HC-SR04, caso precise, pode também detectar a distância de objetos que por ele passarem. Tal funcionalidade é possível através de um som emitido em alta frequência na ordem de 40kHz, que quando refletida no objeto retorna ao sensor que mede o tempo de retorno para estimar a distância Sensor de Temperatura e Umidade DHT11 é um preciso sensor de temperatura (em C, erro de +/- 2 C e campo de atuação de 0 a 50 C), e umidade (em %, erro de +/- 5% e range de 20 a 90%), à um fio, isso significa que além dos terminais para alimentação Vdc, necessita de apenas um terminal para envio dos dados lidos. Possui em seu encapsulamento interno um processador de alto desempenho de 8bits que garante confiabilidade e estabilidade de leitura Sensor de Luminosidade Para efetuar a dimerização do LED, foi utilizado o LDR (Light Dependent Resistor), um simples e útil sensor de luminosidade que varia sua resistência conforme a intensidade de luz sobre ele incidida.

44 Sensor de Porta Aberta É uma chave do tipo magnética "NA (normalmente aberta), que indica se a porta se encontra aberta ou fechada Fechadura Eletrônica Fechadura eletromagnética com solenoide interno, acionada por 12 Vdc comandados pelo dispositivo com Android através do Módulo de Automatização Residencial. Utilizada para o controle de acesso a residência ou estabelecimento comercial Protótipo Para melhor ilustrar a automatização residencial, foi elaborado um protótipo em madeira que representa uma residência com dois dormitórios. Nele foram distribuídos os sensores, LEDs e a fechadura eletrônica, conforme figura 16, 17 e 18 abaixo. Figura 16 - Protótipo, Pré Fabricação. Autoria Própria.

45 42 Figura 17 - Protótipo, Pós Fabricação. Fonte: Autoria Própria. Figura Protótipo, Pós Fabricação. Fonte: Autoria Própria.

46 43 6. SOFTWARE 6.1. Linguagem de Programação É a padronização de métodos para que seja possível o envio de instruções para um computador. Essas instruções são um conjunto de regras sintáticas, estas influenciam na maneira de como os programas são escritos, lidos e reconhecidos por computadores e por outros programadores e regras semânticas, que determinam como os programas são resolvidos e entendidos por outros programadores e como o computador ira interpreta-lo. A linguagem de programação possibilita ao programador com precisão quais, como serão armazenados ou que decisões serão tomadas aos dados em um computador. Por essa precisão linguagens de programação são comumente utilizadas para expressar algoritmos, que por sua vez são sequencias de tamanho finito de instruções bem definidas e não ambíguas. O conjunto destas instruções que seguem estas regras constitui o código fonte de um software, este código depois traduzido para um código de máquina através de compiladores ou por um processo denominado interpretação. Se neste processo de tradução o código é totalmente traduzido e só após é executado o programa, este processo foi realizado por um compilador, mas, se o código for executado à medida que é traduzido, este foi realizado por um interpretador.

47 Interpretador São programas de computador que leem um código fonte de uma linguagem de programação interpretada. O interpretador executa o código-fonte como o código objeto e traduz o programa linha a linha, nesta etapa é realizado um processo que faz uma análise sintática e semântica do código. Se nesta análise as duas etapas estiverem corretas o código está pronto para ser executado. Este programa é executado na medida em que é traduzido Compilador É um programa ou até mesmo um grupo de programas de computador que, a partir de um código fonte cria um programa semanticamente equivalente, porém escrito em outra linguagem, que resulta no código objeto. Os compiladores analisam o código em três partes, hierarquia, léxica e semântica. Na maior parte de sua utilização os compiladores traduzem linguagem de níveis mais altos como, por exemplo, C para linguagens de nível mais baixo, linguagem de máquina. Alguns compiladores contam com um pré-processamento, que são utilizados para modificar o código-fonte segundo suas necessidades Linguagem C História Em 1970, nos laboratórios da AT&T, Bell Denis Ritchie elabora uma nova linguagem a partir da linguagem BCPL, conhecida como linguagem B. Anos mais tarde com a ajuda de Brian Kerningham esta linguagem foi aperfeiçoada e então surge uma nova versão desta linguagem, a linguagem C. Seu primeiro marco foi o de reescrever o sistema UNIX. Depois de seu notavel potencial em 1980 a linguagem C é padronizada pelo American National Standard Institute, surge a ANSI C.

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