INTEGRAÇAO DE SISTEMAS DOMÓTICOS COM TV DIGITAL COM BASE EM GATEWAY BACNET/HTTP.

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1 INTEGRAÇAO DE SISTEMAS DOMÓTICOS COM TV DIGITAL COM BASE EM GATEWAY BACNET/HTTP Magno Batista Corrêa, Carlos Humberto Llanos Quitero, Jones Yudi Mori Alves da Silva, Paulo Roberto de Lira Gondim Universidade de Brasília Campus Universitário Darcy Ribeiro Brasília, DF, Brasil s: Abstract The development of home automation s applications and the use of digital TV receivers are two threads with a social interest. This interest is motivated by the increasing population s earning power, the extensive use and tax incentives by the government, so that the standards for digital TV should be adopted. In this paper is presented a home automation integration methodology with digital TV receives, showing the design, development and testing of a BACnet gateway/http, facing execution in embedded devices, which is applied to develop an integration between domotics and digital TV. The development and testing were performed on different platforms, namely: (a) the PC architecture, (b) an SBC (Single Board Computer) with an ARM CPU and (c) a STB (Set-Top Box) in SH4 architecture. Keywords Domotics, Digital TV, BACNet, Intelligent Automation Resumo O desenvolvimento de aplicativos de automação domótica e o uso dos receptores de TV digital são dois tópicos com interesse social. Este interesse é motivado pelo aumento do poder aquisitivo da população, pela ampla utilização de receptores de TV e pelos incentivos fiscais dos governos, a fim de que sejam adotados os padrões de TV digital. Neste trabalho é apresentada uma metodologia de integração de automação residencial com receptores de TV digital, apresentando o projeto, desenvolvimento e testes de um gateway BACnet/HTTP, voltado para a execução em dispositivos embarcados, visando a integração entre sistemas domóticos e TV digital. O desenvolvimento e os testes foram realizados em diversas plataformas, sendo elas: (a) a arquitetura PC, (b) um SBC (Single Board Computer) com processador central ARM e (c) um STB (Set-Top Box) da arquitetura SH4. Palavras-chave Domótica, TVDigital, BACnet, Automação Inteligente. 1 Introdução Na atualidade, os mundos da domótica e da TV digital estão disjuntos e, quando se tenta utilizar seus serviços de forma integrada, encontra-se um cenário quase caótico, com a necessidade de utilização de vários controles remotos, custos elevados para a manutenção dos dois sistemas e até mesmo um certo grau de desconforto, devido à necessidade de convivência com este cenário. A domótica apresenta uma série de funcionalidades como, por exemplo, o provimento de conforto, segurança e saúde para os habitantes da residência automatizada (vide figura 1). Já a TV digital busca atender a uma série de requisitos sendo estes, por exemplo, a entrega de serviços de qualidade (QoS, em inglês Quality of Service), garantindo a qualidade da informação e o provimento de interatividade com o usuário (vide figura 1). A utilização da TV digital faz necessário o uso, em alguns casos, de equipamentos conhecidos em inglês como set-top box (STB). Estes STBs possuem um grande poder de processamento, geralmente com hardwares com mais de 400MHz (Heath, 2007). Tal hardware fica em boa parte do tempo ocioso, visto que as funções de descompactação de vídeo estão em decodificadores dedicados. Um uso interessante para este hardware no seu tempo ocioso seria a automação da residência do proprietário. A integração da TV com os computadores para automação está comumente baseada na inserção do computador dentro do receptor de TV (ou da STB), buscando a diminuição do número de componentes discretos e o provimento de serviços de melhor qualidade, como por exemplo o close caption e a nomeação de canais com o OSD (On Screen Display ). Nota-se também que o avanço do poder computacional tornou viável a inserção, a um custo aceitável, de processadores com mais de 200 MHz dentro de um aparelho de TV (Heath, 2007). Este poder computacional é semelhante aos computadores da década de 1990, que já eram capazes de acessar a internet e possuiam sistemas multimídia e jogos diversos. Este trabalho busca então prover meios para a fusão dos mundos da domótica e da TV digital, através do desenvolvimento de um gateway BACNet/HTTP, servindo de base para um ambiente de projetos objetivando sistemas domóticos integrados com TV digital, além de facilitar o desenvolvimento de soluções de automação. Por outro lado, a literatura mostra uma carência de trabalhos nesta direção, onde os desafios são muito grandes e as exigências de agilidade no desenvolvimento de novos produtos e soluções são imperiosas. Neste contexto, este trabalho apresenta um ferramental para a fusão destes dois mundos (vide 4166

2 Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática (ar-condicionado, aquecedor e umidificador), dentre diversos outros. Este acionamento pode ser atrave s de uma rede sem fio ou atrave s de um barramento RS485 ate o dispositivo, ou ainda atrave s de um CLP (Controlador Lo gico Programa vel ) residencial instalado ao lado do painel ele trico. Em uma abordagem mais ampla, o sistema pode ainda integrar soluc o es de seguranc a, com a instalac a o de sensores externos, sensores de presenc a ou mesmo prover a visualizac a o de ca meras de seguranc a. Figura 1: Mundos da Domotica e da TV Digital figura 1), atrave s do desenvolvimento de um ambiente de projetos para sistemas domo ticos integrados com TV digital, ale m de facilitar a proposta de soluc o es de automac a o atrave s da implementac a o de um tradutor do protocolo BACnet (utilizado em automac a o predial e reside ncial), para protocolo mais um simples e acessı vel a todos os interessados em realizar tarefas de automac a o. 2 3 BACnet (Building Automation and Control networks) e TV Digital BACnet e um protocolo de comunicac a o (Liu and Ren, 2007) voltado para a automac a o de edificac o es e seus sistemas de controle. Segundo a (Parsons, 2009) a ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers) define o BACnet como um grupo de regras governando a troca de informac a o atrave s de uma rede de computadores. Estas regras esta o descritas em um padra o especificado no padra o ANSI/ASHRAE Standard 135 e no padra o ISO O BACnet teve seu inı cio oficial em junho 1987, quando comite de projetos da ASHRAE buscou um padra o de que atendesse a necessidade de interoperabilidade entre muitos vendedores e muitas classes de automac a o predial(wolfgang Kastner, 2005). O protocolo foi alvo de interesse no desenvolvimento deste padra o o atendimento de va rios tipos de automac a o, desde pequenas automac o es reside ncias quanto a automac a o de grandes pre dios, passando por exemplo pelo controle de HVAC, iluminac a o, seguranc a, combate a fogo, controle de aceso, manutenc a o dentre outros (Parsons, 2009). O BACnet tornou-se padra o ASHRAE/ANSI sob o nu mero 135 em 1995 vindo a ser padra o ISO sob o nu mero ISO Os padro es de TV digital definem os mecanismos de transmissa o, recepc a o, configurac o es mı nimas de hardware, faixas de freque ncia de operac a o, padro es de transporte de dados e compactac a o dentre outros pontos mı nimos para garantir a interoperabilidade entre os equipamentos de TV digital comercializados (de Oliveira et al., 2008). As partes mais importantes de um padra o de TV digital podem ser definidas como Transmissa o, Transporte,Codificac a o, Middleware e Aplicac a o. Estrutura da proposta de integrac a o Uma proposta de integrac a o de sistemas de automac a o residencial com o uso do gateway BACnet/HTTP embarcado em um receptor de TV digital e apresentado na figura 2. Nesta proposta, o usua rio ira enviar comandos atrave s do controle remoto, tendo um retorno visual atrave s do aparelho de televisa o. O receptor de TV digital ale m de receber a programac a o difundida atrave s do sinal de TV digital da torre de TV, tambe m possui um aplicativo de automac a o residencial. Figura 2: Exemplo de uma possı vel implementac a o de um sistema integrando automac a o residencial com o uso de STB e do gateway BACnet/HTTP Os dispositivos BACnet podem interagir nesta proposta com o receptor de TV digital tanto atrave s de redes IP quanto de redes MS/TP (Master Slave/ Token Passing), respondendo aos comandos digitados pelo usua rio pelo controle remoto, retornando os estados para o usua rio atrave s do aparelho de TV. O usua rio pode ter controle de diversos elementos de sua reside ncia como, por exemplo, o controle sobre o acionamento de iluminac a o, tanto a artificial (la mpadas) quanto a natural (persianas), climatizac a o 4 Trabalhos correlatos em automac a o residencial e TV digital Alguns trabalhos buscam desenvolver formas alternativas de integrac a o sem a utilizac a o dos middlewares de TV digital, fundamentando a sua decisa o principalmente no fato do alto custo com- 4167

3 putacional agregado aos middlewares, geralmente baseados em uma JVM (Java Virtual Machine) completa, como é o caso do MHP e do Ginga. Esse fator causa uma baixa aderência dos middlewares no mercado. Tal abordagem é adotada por (Mark Umberger, 2008), que desenvolve seu próprio gateway Konnex/Webservice. No artigo apresentado por (Mark Umberger, 2008) é desenvolvido uma solução de integração de IPTV e automação residencial é baseada em uma rede Konnex. Esta solução foi desenvolvida em linguagem VisualBasic e sobre uma arquitetura PC, rodando sobre um sistema operacional WindowsXP. A arquitetura adotada no projeto separa claramente um gateway Konnex para um padrão de caracteres simples baseados no padrão RS232 como meio físico, e transportando caracteres no padrão AS- CII, onde cada caractere mapeia diretamente um comando para a rede, sem a definição de um protocolo mais sofisticado. Dentro do PC encontrase o desenvolvimento de um web Service que se liga ao gateway Konnex através de uma porta serial, sendo transmitidos os comandos pré-definidos simplistas. Alguns trabalhos buscam a utilização dos middlewares de TV digital para agregar as funcionalidades de automação residencial, como ocorre como o trabalho de (Oliveira et al., 2008), onde é proposto um sistema denominado de DIGA Ginga (Digital Automation in Monitoring and Control using GINGA technology). O DIGA Ginga é um conjunto de propostas baseadas profundamente no desenvolvimento do middleware Ginga. Este projeto gera uma série de subsistemas sendo eles o DIGA SAÚDE (monitoramento pessoal) o DIGA- BEM (base global) o DIGA CASA, com o monitoramento da casa, dentre outros subsistemas denominados de DIGA. Seu protótipo é o projeto Pimenter (Oliveira et al., 2008), desenvolvido pela CEFET do Ceará. A idéia básica por trás do projeto é implementar uma série de serviços desprezando as características de hardware, esperando que os receptores de TV Digital evoluam respeitando a lei de Moore (Patterson and Hennessy, 2008), tal como os PCs. Outros trabalhos como o de Lin et al (Lin and Chen, 2005) caminham em uma direção completamente oposta, abordando formas de se controlar o receptor de TV digital, utilizando para isso diversos dispositivos, como por exemplo computadores, PDAs e celulares com acesso a internet. No mesmo trabalho é usado o middleware MHP para a confecção de um servidor (interligado pela rede IP), sendo capaz de acionar o EPG, uma torradeira (Lin and Chen, 2005), dentre outros. No trabalho de Lin et al (Lin and Chen, 2005), o servidor também se baseia em um conjunto limitado de comandos, expressos no caso por números de -1 até 9, onde todos os comandos, exceto o - 1, são seguidos pelo caractere retorno de carro. Quanto aos clientes, eles necessariamente precisam ter suporte ao HTTP, porém se possuírem capacidade de tocar um stream (fluxo) de vídeo do tipo MMS (Microsoft Media Server) ainda se tem a possibilidade de se ver o conteúdo que está sendo executado atualmente. 5 Implementação da proposta de integração 5.1 Definição de estratégia de integração Adotou-se para este trabalho o desenvolvimento de um gateway de camada 7 (ou um gateway de camada de aplicativo), por restrição natural do protocolo BACnet que está definido até a camada de aplicativo, além de se ter uma maior facilidade de desenvolvimento, devido ao maior grau de abstração. Obteve-se com esta estratégia uma maior facilidade de reuso e expansão do gateway, bem como a possibilidade de implantá-lo em diferentes arquiteturas. Por outro lado, para o desenvolvimento da etapa BACnet do gateway foi utilizada como pilha de BACnet a implementação do BACnet Stack (BACnet, 2013), que se mostrou uma das mais completas do SourceForge (Geeknet, 2013) no segmento, com uma comunidade muito ativa e receptiva a novos desenvolvedores, respondendo prontamente aos questionamentos feitos. O gateway foi definido para poder ser composto de uma pilha BACnet compilada em dois modos, uma voltada para o padrão BACnet/IP e outra para o BACnet/MSTP. Por outro lado, se tem a implementação de duas formas distintas de acesso ao HTTP (vide figura 3). Uma forma é através da utilização do AXIS2, um servidor de webservice de boa receptividade no mercado. Outra forma é através de um servidor HTTP 1.0, desenvolvido especialmente para aplicações que necessitem de uma implementação mais enxuta. Este servidor visa uma melhor utilização de espaço em memória e a possibilidade de comunicação de clientes com implementações mais simplificadas, visto que estes clientes não precisariam implementar um cliente webservice e sim apenas um cliente HTTP 1.0. Figura 3: Arquitetura do gateway 5.2 Implementação do código Para a implementação do código foi buscado a facilidade de compreensão da implementação e 4168

4 a aplicação de abstração para que novas funcionalidades sejam acrescidas ao gateway. Para alcançar este objetivo, o gateway foi dividido em 4 grandes módulos: (a) HTTP-Server, (b) BACnet-Controler, (c) Web-Framework, e (d) Util-Fucntions. Esta abordagem torna possível as seguintes vantagens: (a) a manutenção do gateway, (b) o acréscimo de funcionalidades e (c) uma solução mais desacoplada. 5.3 Desenvolvimento da solução proposta Foi adotada como estratégia de integração a separação lógica do gateway em módulos. Tal abordagem facilita tanto a codificação quanto a depuração do código, sendo que cada uma destas atividades (codificação e depuração) podem ser realizadas somente no dado módulo, sem sofrer interferência de problemas relacionados com outros módulos. Outro aspecto positivo da abordagem da separação do código em módulos é que a codificação está voltada para um forte desacoplamento das diversas partes que compõem o gateway, o que vem facilitar tanto a compreensão do código por futuros desenvolvedores quanto a reutilização dos módulos para novas soluções que venham a ser projetadas e que se desejam funcionalidades parecidas. Figura 4: Implementação do gateway em alto nível. (a) módulo HTTP-Server, (b) módulo BACnet-Controler, (c) módulo Web-Framework e (d) módulo Util functions A parte em software que define o gateway foi concebida em quatro grandes módulos, tal como apresentado na figura 4, os quais serão descritos a seguir Servidor HTTP (HTTP-Server) Este módulo representa a implementação de um servidor aderente a definição de servidor HTTP 1.0 (RFC1945, 1996) básico, capaz de disponibilizar quaisquer recursos solicitados por quaisquer clientes HTTP (i.e. Firefox, Internet Explorer). Este módulo está subdivido em dois módulos menores, a fim de facilitar a compreensão e a manutenção do código, sendo estes os módulos de Operações com socket e Interpretador de funções HTTP: (a) Operações com socket (socketoperations): realiza todas as operações necessárias com os sockets de comunicação com os clientes HTTP, tal como as funcionalidades de abrir um socket, responder uma dada solicitação e fechá-lo ao término da conexão. (b) Interpretador de funções HTTP: é um interpretador das funções definidas da (RFC1945, 1996) que definem o padrão HTTP 1.0. Para este trabalho foi definido que seria implementado um interpretador de chamadas ao método GET do HTTP, a fim de tornar o servidor mais simples Controlador-BACnet (BACnetcontroler): o controlador BACnet é a parte do gateway voltada para a rede de automação predial, sendo capaz de se comunicar através do protocolo BACnet apresentado na seção 3. O controlador BACnet está para a rede BACnet assim como o Servidor HTTP está para a rede HTTP. O controlador BACnet está dividido logicamente em duas partes, que serão descritas a seguir (vide figura 4b): (a) Contexto-BACnet(BACnet-context): contém as implementações em alto nível das funcionalidades da rede BACnet, provendo meios de acesso a esta rede, aos seus dispositivos e as propriedades destes dados dispositivos. (b) Pilha-BACnet (BACnet-stack): é a parte do código que contém as funcionalidades de geração e interpretação dos APDUs e NPDUs, bem como prover o acesso ao meio físico adotado. Dentre as pilhas analisadas, foi eleita a (BACnet, 2013) e personalizada para que esta viesse a atender as funcionalidades necessárias ao gateway Framework-Web (Web-framework) Visando facilitar a implementação de novas soluções que objetivam utilizar o gateway como estratégia de acesso a rede BACnet foi desenvolvido um framework simplificado com base em filosofias e ferramentas comumente adotadas em projetos web, levando-se em conta projetos de servidores web em Java. Este framework provê uma camada de abstração do gateway, tornado possível o desenvolvimento de soluções de automação predial utilizando comunicação BACnet, sem a necessidade do conhecimento do protocolo em si. A descrição das partes é dada a seguir: (a) ulet: baseada nas filosofias do servlets (com.javax.servlet), possui de entrada e saída equivalente aos objetos de entrada e saída de Http- Servlets, também nomeadas de request e response, 4169

5 Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática com um domı nio de atributos muito parecido. Somente a func a o doget (equivalente ao me todo doget do HttpServlet) foi implementada, sem prejuı zos relevantes a soluc a o, visto que o servidor somente consegue interpretar me todos HTTP GET. (b) ustruts: baseado no framework Struts (STRUTS, 2013) prove uma soluc a o de implementac a o do Padra o de Projeto (design Pattern) MVC (Model View Control ), atuando na camada de controle. Na implementac a o do gateway deste framework, os dados (model ) sa o montados em estruturas chamadas actions sendo que a parte de apresentac a o (view ) e provida pelo framework uvelocity. Figura 5: Execuc a o de uma pa gina do gateway BACnet/HTTP no navegador Firefox Na figura 5 e apresentado o navegador web Firefox enviando solicitac o es para a rede de automac a o BACnet, atrave s de uma interface de pa ginas desenvolvido especialmente para navegadores de uso geral. A funcionalidade de gerac a o de pa ginas voltadas para navegadores mais modernos (com mais recursos dos que os geralmente encontrados em sistemas embarcados) visa demonstrar os capacidades da soluc a o proposta neste trabalho para a gerac a o de conteu do para sistemas com mais recursos computacionais, como os encontrados na arquitetura PC. (c) uvelocity : baseando no framework Velocity (Velocity, 2013) esta funcionalidade realiza a ana lise le xica de uma cadeia de caracteres (string) que pode tanto estar no sistema de arquivos do sistema operacional quanto dentro do pro prio co digo, e enta o realiza a fusa o (merge) dos dados passados em um contexto gerando no final uma nova cadeia de caracteres, que no caso de servic os web e um novo recurso, que pode ser, por exemplo, uma pa gina HTML O gateway BACnet/HTTP tambe m foi portado para o SBC TS7300, o qual possui um ARM9 como processador. Este resultado busca demonstrar a portabilidade do gateway em uma arquitetura mais acessı vel, tanto pela existe ncia de mais recursos computacionais quanto pelos dispositivos de entrada e saı da disponı veis. O uso desta arquitetura visou a facilitac a o da elaborac a o de trabalhos futuros, ale m deste SOC servir de um meio termo entre a arquitetura PC e os existentes nos STBs. Resultados Gateway BACnet/HTTP Para desenvolver gateway BACnet/HTTP (de uma forma que ele fosse plenamente porta vel entre diversas plataformas) os co digos foram testados em tre s plataformas distintas: (a) uma arquitetura PC, (b) um SOC do tipo TS7300 e (c) no STB adotado com processador ST7100 e STlinux. Como resultado tem-se uma versa o do gateway BACnet/HTTP porta vel e compilada para estas arquiteturas, as quais sera o apresentadas a seguir. 6.2 Execuc a o do gateway BACnet/HTTP no SBC TS7300 Execuc a o do gateway BACnet/HTTP em PC Figura 6: Fotografia do arranjo de testes do gateway BACnet/HTTP Um dos resultados deste trabalho foi uma versa o do gateway BACnet/HTTP compilado para ser executado na arquitetura PC. Esta foi a primeira versa o do gateway, devido principalmente a grande gama de ferramentas de desenvolvimento, o que tornou as fases de desenvolvimento mais a geis. Na figura 6 e apresentado o arranjo para execuc a o dos testes em laborato rio, onde foi utilizado o SBC TS7300 ligado a um monitor e teclado, se comunicando por Ethernet com notebook. No computador porta til encontra-se o Wireshark executando a interceptac a o dos pacotes trafegados na rede local, assim como um navegador de uso geral 4170

6 enviando os comandos e recebendo os resultados do gateway BACnet/HTTP. O gateway está sendo executado dentro do SBC TS7300. Figura 7: Gateway BACnet/HTTP executando dentro do STB adotado 6.4 Execução do gateway BACnet/HTTP no STB Outro resultado de portabilidade do gateway BACnet/HTTP foi a execução deste aplicativo dentro de um STB. As características do gateway permaneceram inalteradas das apresentadas para os casos de portabilidade para a arquitetura PC e para o SBC TS7300. No caso do STB utilizado neste trabalho, não foi possível a execução do gateway na configuração BACnet/IP, devido a inexistência de porta Ethernet neste equipamento na versão comercializada. Para demonstrar a execução do gateway BACnet/HTTP no STB adotado, foi tirado um printscreen (vide figura 7) de uma listagem de processos do sistema operacional, onde se pode observar a execução dos processo do gateway BACnet/HTTP (processo PID 78 - gtwbm) e do navegador (process PID 79 - navx). 6.5 Dispositivo BACnet (BACnet device) desenvolvido para testes em microcontroladores Um dos resultados deste trabalho um dispositivo BACnet de baixo custo baseado no microcontrolador ATMEGA328P. Este dispositivo foi confeccionado em dois módulos, sendo eles: (a) placa de controle USB e (b) placa de potência a relê (vide figura 8). Figura 8: Dispositivo (device) BACnet MSTP para ligar e desligar lâmpadas 7 Conclusões Este trabalho apresentou uma metodologia de integração de automação residencial com receptores de TV digital, através da elaboração de um gateway BACnet/HTTP, com a confecção de um navegador específico para o caso de STB, além da elaboração de um dispositivo BACnet de baixo custo. A abordagem deste problema de integração de uma forma que pudesse ser reutilizada, total ou parcialmente em outros trabalhos, levou ao desenvolvimento de uma série de subprodutos, que podem ser utilizados das mais diversas maneiras. Referências BACnet, P. (2013). Bacnet stack. de Oliveira, F. S., de Araujo, J. P. C., Tavares, T. A., Kulesza, R. and de Souza Filho, G. L. (2008). Uma análise de metadados de tvd para suporte a informações de serviço no middleware ginga, CEFETCE-Centro Federal de Educação Tecnológica do Ceará 1(1): 4. Geeknet, I. (2013). Lin, C.-C. and Chen, M.-S. (2005). On controlling digital tv set-top-box by mobile devices via ip network, IEEE - International Symposium on Multimedia 1(1): 8. Liu, Q. and Ren, P. (2007). Design and implementation of ms/tp in embedded system, IEEE - Second IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications 1(1): 4. Mark Umberger, e. a. (2008). The integration of home-automation and iptv system and services, Computer Standards and Interfaces - Elsevier CSI-02616: 10. Oliveira, M., Figueiredo, M., Gonçalves, C. and Tonieto, M. (2008). Diga ginga- digital automation in monitoring and control using ginga technology, CEFETCE-Centro Federal de Educação Tecnológica do Ceará 1(1): 7. Parsons, B. (2009). Bacnet 20 years on, Canadian Consulting Engineer 1(1): Patterson, D. A. and Hennessy, J. L. (2008). Organização e Projeto de Computadores, Elsevier. RFC1945 (1996). Hypertext transfer protocol http/1.0, Technical report, HTTP Working Group. STRUTS (2013). Velocity (2013). Velocity user guide. Wolfgang Kastner, e. a. (2005). Communication systems for building automation and control, IEEE 93:

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