PROJETO DE PESQUISA. Automação residencial utilizando dispositivos móveis e microcontroladores.

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1 PROJETO DE PESQUISA 1. Título do projeto Automação residencial utilizando dispositivos móveis e microcontroladores. 2. Questão ou problema identificado Controlar remotamente luminárias, tomadas e acesso a ambientes em residências através de um sistema de automação residencial. 3. Hipótese científica ou objetivo de Engenharia Este projeto desenvolverá soluções para automação residencial que combinam a utilização de dispositivos móveis equipados com sistema operacional Android [3] e placas de microcontrolador do tipo Arduino [5]. O projeto conterá elementos que podem fazer parte de um sistema de automação residencial como, por exemplo, fechaduras elétricas e um controle remoto para comandar luminárias e outros dispositivos residenciais. 4. Descrição detalhada dos materiais e métodos (procedimentos) que serão utilizados para verificar a hipótese científica ou para atingir o objetivo de Engenharia 4.1. Introdução e justificativa A automação residencial integra de forma inteligente os dispositivos elétricos presentes em uma residência [4]. A popularidade da automação residencial tem aumentado nos últimos anos devido à crescente acessibilidade e simples conectividade presente em dispositivos móveis como tablets e smartphones. A maioria dos dispositivos móveis comercializados atualmente é equipado com o Android, o sistema operacional da Google. A placa de microcontrolador Arduino, por sua vez, é atualmente uma das mais populares formas de acionar dispositivos elétricos de forma inteligente[1], pois suas ferramentas de desenvolvimento são gratuitas e possui ampla documentação produzida por uma crescente comunidade de usuários. O Arduino é composto de diversos circuitos eletrônicos que permitem a conexão de dispositivos entre si. No entanto, pouco oferece para permitir a integração com usuário ou a conexão sem fio. Por outro lado, o sistema operacional Android oferece muitos recursos de interação com o usuário através de tela sensível, mas nenhum recurso de conexão direta com circuitos eletrônicos. A combinação dos dois permite que um projetista construa soluções que realizem o acionamento de dispositivos elétricos comandados por usuários através de tela sensível ao toque. Dessa forma o sistema proposto é comandado por um controlador de automação residencial, cujo principal componente será uma placa de microcontrolador do tipo Arduino. Esse controlador estará conectado a fechaduras elétricas e outros dispositivos residenciais, realizando comando dos mesmos através da Internet, USB ou ainda por conexão sem-fio do tipo Bluetooth. Assim, o comando dos dispositivos residenciais poderá ser realizado por meio de comando local ou comando remoto Objetivos da Pesquisa Objetivo geral Desenvolver soluções de automação residencial utilizando placas de microcontrolador Arduino, combinadas com telefones celulares e computadores do tipo Tablet (ambos equipados com sistema operacional Android).

2 Objetivos específicos Quando concluído o controlador do sistema de automação estará conectado a: Tomadas e luminárias controladas por RF; Uma fechadura com RFID. Há diversas maneiras para enviar comandos de um dispositivo Android ao Arduino. Dessa forma poderíamos: Equipar o Arduino com um shield de Enthernet ou Wifi e realizar a comunicação por meio de uma rede (Figura 1); Conectar um shield Bluetooth ao Arduino e, se nosso dispositivo Android possuir Bluetooth, enviar dados desse modo(figura 2); Usar uma conexão USB e o ADK (Acessory Development Kit) do Google(Figura 3). Nesse contexto as etapas do projeto são: Especificar o melhor meio de comunicação (Ethernet, Bluteooth ou USB) entre o controlador de automação e a interface de usuário. Desenvolver a transmissão e recepção de RF entre o controlador de automação e a fechadura, tomadas e luminárias; Desenvolver a validação RFID para fechadura; Desenvolver circuitos de acionamento de potência de fechaduras, tomadas e luminárias. Figura 1 O sistema de automação industrial: utilização de Shield Ethernet.

3 Figura 1 O sistema de automação industrial: utilização de Shield Bluetooh. Figura 3 O sistema de automação industrial: utilização de conexão USB 4.3. Fundamentação teórica / Estado da arte / Revisão de literatura O presente projeto inclui o estudo e implementação de projeto de automação residencial (domótica) para controlar em residências a iluminação, acionamento de dispositivos, controle de acesso e a possível interligação entre esses elementos. Desta forma, serão desenvolvidos dispositivos para automatizar algumas rotinas e tarefas de uma casa. Os principais elementos a

4 serem utilizados são o Arduino, o Android, o padrão Open Acessory do Android, comunicação RF e autenticação RFID. - Arduino O Arduino é uma placa de microcontrolador que contém uma conexão USB, tornando possível a ligação com um computador. Além disso, contém diversos terminais que permitem a conexão com dispositivos externos, como motores, relés, sensores luminosos, diodos a laser, alto-falantes, microfones e outros. Eles podem ser energizados pelo computador através de cabo USB, por uma bateria de 9V ou por alguma outra fonte de alimentação. Um Arduino pode ser controlado diretamente por um computador ou operar de forma autônoma. Nesse caso ele é primeiro programado pelo computador através da conexão USB e, em seguida, desconectado desse computador. O projeto da placa é aberto. Isso significa que qualquer um pode construir placas compatíveis com o Arduino, o que gerou competição e resultou em placas de baixo custo. As placas básicas são complementadas por placas acessórias (Shields), que podem ser encaixadas em cima da placa Arduino. No desenvolvimento desse projeto, pode-se utilizar três Shields diferentes que permitem a conexão com dispositivos Android: USB Host (mestre) para utilizar conexão com cabo USB; Bluetooh para conexão sem fio; Ethernet, para conexão com Internet com fio, transformando o Arduino em um pequeno servidor Web. O software de programação do Arduino é fácil de utilizar e encontra-se disponível gratuitamente para computadores Windows, Mac e Linux. - Android Android é o sistema operacional do Google que pode ser utilizado com smartphones e tablets. O desenvolvimento de aplicativos Android é gratuito. As ferramentas de desenvolvimento de software são gratuitas e não há pagamento de taxas para fazer a distribuição dos aplicativos. Você também poderá distribuí-los sem que a comercialização tenha que ser feita através do Google. - Arduino e Android O Arduino é composto de diversos circuitos eletrônicos que permitem a conexão de dispositivos entre si. No entanto, pouco oferece para permitir a integração com usuário ou a conexão sem fio. Por outro lado, o sistema operacional Android oferece muitos recursos de interação com o usuário através de tela sensível, mas nenhum recurso de conexão direta com circuitos eletrônicos. A combinação dos dois permite que um projetista construa soluções que realizem o acionamento de dispositivos elétricos comandados por usuários através de tela sensível ao toque. - Open Acessory do Android Na conferência Google de desenvolvimento realizada em 2011 (Google IO 2011) o padrão Open Accessory foi anunciado. Esse padrão foi lançado para criar acessórios de hardware que podem ser ligados ao dispositivo Android através da conexão USB. Está disponível para dispositivos móveis com a versão do Android ou posterior. Algo realmente bom a respeito desse padrão é que se baseia na tecnologia do Arduino. Esse projeto poderá utilizar, o conceito denominado Droid Duino Base. Nesse caso, o microcontrolador já programado de uma placa de Arduino é retirado e transferido para um soquete na área de protótipo de um Shield USB Host. - Comunicação RF A comunicação ocorrerá por rádio frequência com receptores e transmissores de 4800bps e 315Mhz. - Autenticação RFID

5 Identificação por radiofrequência ou RFID (do inglês "Radio-Frequency IDentification" ) é um método de identificação automática através de sinais de rádio, recuperando e armazenando dados remotamente através de dispositivos denominados etiquetas RFID. Uma etiqueta ou tag RFID é um transponder, pequeno objeto que pode ser colocado em uma pessoa, animal, equipamento, embalagem ou produto, dentre outros. Contém chips de silício e antenas que lhe permite responder aos sinais de rádio enviados por uma base transmissora. Além das etiquetas passivas, que respondem ao sinal enviado pela base transmissora, existem ainda as etiquetas semipassivas e as ativas, dotadas de bateria, que lhes permite enviar o próprio sinal. São bem mais caras que do que as etiquetas passivas. RFID: utiliza transponders (os quais podem ser apenas lidos ou lidos e escritos) nos produtos, como uma alternativa aos códigos de barras, de modo a permitir a identificação do produto de alguma distância do scanner ou independente, fora de posicionamento. Tecnologia que viabiliza a comunicação de dados através de etiquetas com chips ou transponders que transmitem a informação a partir da passagem por um campo de indução. (ex: muito usado em pedágio "sem parar") Metodologia e Estratégia de Ação Para o desenvolvimento deste trabalho, é necessário inicialmente, um estudo aprofundado do referencial teórico disponível na área de automação residencial (domótica) e sistemas embarcados. Para tanto, uma ampla pesquisa de trabalhos similares ao proposto será realizada como base para este projeto para que o aluno aprofunde seu conhecimento sobre o tema de estudo. Os aluno também devem ser capacitados para desenvolver uma plataforma baseada em microcontroladores. Para tanto, serão realizados estudos dirigidos em técnica de programação, linguagens de programação específica para microcontroladores e plataformas de desenvolvimento para microcontroladores. Com o conhecimento adquirido, dar-se-á início ao projeto e implementação do hardware e software do controlador de automação residencial, comunicação e acionamento de dispositivos. Após os testes individuais, os subsistemas serão exaustivamente testados de forma integrada no intuito da criação de um protótipo realmente operativo. No decorrer de todas as etapas, será realizada a documentação técnica do projeto, seja no formato de relatórios, no qual o aluno descreve as atividades que realizou e a sua experiência, no formato de artigos científicos ou de manual técnico dos subsistemas desenvolvidos e do sistema de automação residencial como um todo. Além disso, na fase final deste trabalho, será realizada uma pesquisa na base de dados de patente para se analisar a possiblidade de seu registro Resultados e impactos esperados Pretende-se apresentar os resultados alcançados nos seguintes eventos: II Amostra de Ciências e Tecnologia IFES Campus Guarapari Feira Brasileira de Ciências e Engenharia FEBRACE 2015 Além disso, a oportunidade de participar do projeto traz ao bolsista expectativas em vários aspectos, entre os quais, pode-se citar: Ampliação de conhecimentos relacionados a assuntos extracurriculares envolvidos no projeto, tais como a Automação Residencial (Domótica), o estudo e trabalho com microcontroladores. A divulgação dos resultados por meio de participação em congressos e feiras tecnológicas, que enriquecerá a formação acadêmica e profissional. No decorrer do projeto, serão aprofundados os conhecimentos adquiridos nas disciplinas técnicas do curso de técnico em Eletrotécnica, cursado pelo referente bolsista.

6 4.6. Investimentos necessários Serão utilizados materiais e equipamentos do Campus Guarapari do IFES Cronograma de Físico/ Financeiro (Ago/2014 a Set/2015) Lista de atividades Meses 06/14 07/14 08/14 09/14 1 Revisão bibliográfica: Automação residencial e sistemas embarcados. 2 Especificar e desenvolver o melhor meio de comunicação (Ethernet, Bluetooth ou USB) entre o controlador de automação e a interface de usuário. 3 Desenvolver a transmissão e recepção de RF entre o controlador de automação e a fechadura, tomadas e luminárias; 4 Desenvolver a validação RFID para fechadura; 5 Desenvolver circuitos de acionamento de potência de fechadura elétrica. 6 Desenvolver circuitos de acionamento de potência de tomadas e luminárias. 7 Elaboração de documentação técnica do projeto 8 Teste de subsistemas individuais e de integração dos subsistemas. 5. Bibliografia [1] Martins, Felipe. Mini-curso de Sistemas Embarcados com Arduino. [Online] [Citado em: 05 de 05 de 2014.] [2] Margolis, Michael. Arduino Cookbook. s.l. : O'Reilly Media, Inc, [3] Coulouris, George, et al., et al. Projetos com Arduino e Android: Use seu Smartphone ou Tablet para Controlar o Arduino. s.l. : Bookman, [4] Sioshansi, Fereidoon Perry. Integrating Renewable, Distributed & Efficient Energy. s.l. : Academic Press - Elsevier, pp [5] Arduino SA. [Online] [Acessado em: 05 de 05 de 2014.]