Projeto de um Controlador de Alarme de Carro via SMS

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1 1 Dezembro 2007 Projeto de um Controlador de Alarme de Carro via SMS Rangel Arthur, Rafael Figueiredo, Luiz Henrique Bonani do Nascimento RESUMO O presente artigo tem como finalidade realizar um controle automotivo através de comandos enviados por mensagem de texto SMS (Short Message Service). Tais comandos acionarão funções de um microcontrolador da família 8051, mais especificamente um AT89S8253 da Atmel. O microcontrolador é ligado diretamente no automóvel, executando as funções solicitadas através de comandos dados pelo usuário, usando o serviço celular de SMS. Um modem GSM/GPRS é utilizado como intermediário para o recebimento/envio de mensagens entre o 8051 e o celular do usuário. Este projeto poderá ser estendido para qualquer outra área onde possa haver controle de um dispositivo à distância, podendo ser usado, por exemplo, em automação residencial. Palavras chaves: microcontrolador, sistemas integrados, alarme automotivo, GSM, SMS. ABSTRACT This paper has as purpose to accomplish an automotive control through commands sent by SMS (Short Message Service). These commands will set some functions of a microcontroller of 8051 family, more specifically an AT89S8253 from Atmel Corporation. The microcontroller is connected directly in the car, executing the functions requested through commands given by the user, using the SMS cellular. A GSM/GPRS modem will be used as intermediary for the reception/sending of messages between the 8051 and the user's mobile phone. This project can be extended for any other area where one can have control the device to the distance; it could be used, for instance, in residential automation. Key words: microcontroller, embedded systems, automotive alarm, GSM, SMS. 1. Introdução Nos últimos anos diversos artigos vêm abordando o uso do serviço de mensagens curtas (SMS) para gerenciamento remoto. Foi apresentando um sistema de tele-monitoramento e gerenciamento em

2 2 sistemas de transportes intermunicipais [1] fazendo uso de modems GSM e do serviço SMS, além do desenvolvimento de um sistema de alarme que envia uma mensagem de texto para vários destinatários de uma determinada área [2], disparando alertas em caso de desastres e emergências. Com estes fatos e tendo em vista que sistemas de segurança são cada vez mais necessários e desejados, o objetivo principal deste projeto é desenvolver um sistema de controle e monitoramento onde todas as funções possam ser gerenciadas através de mensagens de texto. Usando um microcontrolador, será projetado um sistema que execute e monitore as ações de um alarme automotivo, permitindo que o usuário controle todas as operações a distância, usando a rede GSM existente e o serviço de mensagens de texto (SMS). Será possível habilitar e desabilitar o alarme, travar e destravar as portas, abrir e fechar os vidros, além controlar e monitorar um dispositivo que opera com valores analógicos. Inicialmente, na seção 2, são abordados brevemente os microcontroladores. A seção 3 mostra dispositivos de acesso à rede GSM e a forma de controlá-los. Em seguida, na seção 5, são abordadas as etapas de desenvolvimento do projeto, incluindo a montagem de um protótipo para simulação e os resultados obtidos com o projeto. Finalmente são mostradas as considerações finais e possíveis extensões para este trabalho. 2. Microcontroladores Os microcontroladores vêm tornando-se uma alternativa bastante eficiente para os mais variados projetos, pois além de apresentarem confiabilidade satisfatória e menor custo quando comparados aos microprocessadores, já são encapsulados com memória, interface de entrada/saída de dados e dispositivos periféricos, como ilustra a Figura 1.

3 3 Fig. 1 Chip microcontrolador x microprocessador Para o desenvolvimento do controlador deste projeto foi utilizado o chip AT89S8253, membro da família 8051 e fabricado pela Atmel. A família 8051 é uma família de microcontroladores de 8 bits [3] [4], desenvolvida inicialmente pela Intel na década de 80. Mas sua popularização fez com que diversas empresas adquirissem o direito de produzir microcontroladores usando a arquitetura desta família. Esta família utiliza a arquitetura Von Neumann, e como é típica a um sistema CISC, a quantidade de instruções disponíveis é grande o suficiente para produzir programas eficientes, com pequeno tamanho quando comparado ao tamanho dos arquivos necessários em um microcontrolador com arquitetura Harvard. As linguagens de programação mais comuns [5] usadas nesta família são C, BASIC e Assembly. 3. Sistema Global para Comunicações Móveis (GSM) O Sistema Global para Comunicações Móveis, ou (GSM), é um sistema celular digital de segunda geração [6], com código aberto, que surgiu na Europa na década de 80, com o intuito de substituir os diversos sistemas analógicos existentes na época. O GSM difundiu-se rapidamente e hoje é adotado em grande parte do mundo. Neste projeto as solicitações feitas pelo usuário são enviadas através de mensagens de texto, usando o serviço de mensagens curtas (SMS), que está disponível em toda a rede GSM [7] e permite o envio de mensagens com até 160 caracteres. 3.1 Módulos e Modems GSM

4 4 Os módulos GSM são soluções wireless (sem fio), que acessam a rede GSM da mesma forma que os aparelhos celulares, a diferença está no foco, que é o mercado M2M (Machine-to-Machine / Máquina Máquina), e na forma de controle destes dispositivos, feito através de Comandos AT, que serão explicados mais a frente. Para o sistema proposto neste artigo foi usado o Modem G24 GSM, montado e distribuído pela empresa Informat Technology, usando o módulo G24 da Motorola. O modem é montado com antena, compartimento para inserção de Sim Card, fonte de alimentação e interface para comunicação serial. Na Figura 2 são mostrados o módulo e o modem G24. Fig. 2 Módulo G24 e Modem G24 GSM 3.2 Comandos AT O controle do modem GSM é feito através de comandos AT, que é uma série de comandos criados pela empresa Hayes no início das comunicações por modem e acabaram se tornando um padrão. A lista dos comandos suportados pelo modem é fornecida pelo fabricante. Uma linha de comando AT pode conter um ou mais comandos [8], usando delimitadores para separar cada comando. Cada linha de comando possui o prefixo AT e o sufixo <CR> (caractere ASCII de Carriage Return), o delimitador pode ser um ponto e vírgula ou um espaço (para comandos básicos). Um exemplo da estrutura é mostrado na Figura 3.

5 5 Fig. 3 Estrutura de uma linha de comando AT Quando um comando é emitido, o modem responde com uma mensagem, chamada de Código Resultante (Result Code), que avisa para o terminal o resultado do comando que foi requisitado [35]. A Figura 4 ilustra um exemplo de um código resultante. Fig. 4 Resposta para uma linha de comando AT 4. Desenvolvimento e Resultados 4.1 Definição do Sistema Antes de iniciar a montagem do sistema foram definidas todas as funções que deveriam ser interpretadas, executas e monitoradas pelo alarme automotivo. Além dos recursos básicos de

6 6 habilitar/desabilitar o alarme, travar/destravar portas, abrir/fechar vidros, foi incluído um aquecedor veicular no sistema, com o intuito de trabalhar com grandezas analógicas. O usuário pode consultar o estado atual do sistema, incluindo a temperatura do aquecedor, quando este estiver ligado, além de recursos extras, como uma lista de todos os comandos suportados pelo alarme e uma breve ajuda sobre seu funcionamento. Todo o controle e monitoramento são feitos através de SMS. Os comandos solicitados pelo usuário retornam uma mensagem de confirmação quando são executados com êxito, estas mensagens podem ser desabilitadas pelo próprio usuário, que continua recebendo os avisos do sistema de alarme. Estes avisos consistem do envio de uma mensagem quando o alarme for disparado, o aquecedor atingir sua temperatura máxima ou algum comando não permitido for enviado, como, por exemplo, solicitar a abertura dos vidros ou das portas com o alarme habilitado. Para que o microcontrolador reconheça qual ação deve ser executada, deve ser criada uma lista de códigos para cada comando. A Tabela 1 mostra a lista com os códigos e um resumo das ações de cada comando. Tabela 1 Comandos e ações do sistema Código Comandos Ações X1 Alarme Habilita/Desabilita/Dispara X2 Portas Trava/Destrava X3 Vidros Abre/Fecha X4 Aquecedor Liga/Desliga/Monitora Temperatura X5 Status Envia SMS com informação atual do sistema X6 SMS de Confirmação Ativa/Desativa envios de confirmações X7 Menu Envia SMS com lista de comandos X8 Ajuda Envia duas mensagens com breve explicação de funcionamento do sistema - #Avisos# Envia SMS comunicando alguma ocorrência 4.2 Montagem e Programação A parte física do sistema é composta basicamente pelo microcontrolador e pelo modem GSM. O microcontrolador deve ser ligado em um kit de alarme automotivo, para comandar a execução das ações solicitadas pelo usuário, comunicando-se com o modem através de comandos AT, que é o

7 7 responsável por acessar a rede GSM, fazendo a interface com o usuário para o recebimento/envio das mensagens de texto. A arquitetura básica do sistema é ilustrada na Figura 5. Fig. 5 Arquitetura básica do sistema O desenvolvimento do projeto pode ser divido em etapas, começando pela comunicação entre os dispositivos, passando para a configuração e programação do modem e do microcontrolador. A comunicação entre o modem e o microcontrolador é feita serialmente, sendo necessária a montagem de um cabo padrão RS-232. Os dois dispositivos devem operar com a mesma taxa de transmissão (baud rate). A programação do modem abrange as definições para controle de fluxo e taxa de transmissão serial, além das configurações para armazenamento, envio e recebimento das mensagens de texto. Todos os comandos AT necessários para esta etapa são encontrados na lista fornecida pelo fabricante do modem. No microcontrolador devem ser programados todos os comandos que serão executados e monitorados, além da configuração dos recursos do próprio microcontrolador. O programa faz, inicialmente, a configuração dos recursos como interrupções, timers e taxa de transmissão do microcontrolador e em seguida envia serialmente os comandos para configuração do modem. Com modem e microcontrolador devidamente configurados, o programa aguarda o recebimento de um comando enviado através de SMS, interpreta o código recebido, executa a ação correspondente, envia a mensagem de confirmação ao usuário e retorna ao ponto onde faz a reconfiguração do modem e aguarda por uma nova solicitação do usuário. A Figura 6 ilustra, através de um diagrama de fluxo, as etapas da estrutura principal do programa do microcontrolador.

8 8 4.3 Testes e Montagem do Protótipo Para os testes finais e validação do sistema foi desenvolvida uma placa eletrônica com componentes fazendo analogia às funções do alarme automotivo. Ao solicitar o travamento das portas um led é aceso indicando que as portas foram travadas, quanto destravadas o led apaga. A abertura e fechamento dos vidros são representados por um motor de passo, que gira em sentido horário quando o vidro está fechando e anti-horário quando está abrindo. Quando o alarme dispara, leds piscam representando o alarme luminoso e um buzzer é acionado representando o alarme sonoro. Para representação da temperatura do aquecedor é utilizada uma fonte de tensão. Na Figura 7 é mostrado o esquema elétrico da placa desenvolvida, que mostra a ligação com todos os componentes citados, além do circuito necessário para comunicação serial e um esquema de I/O mapeada para entrada dos valores analógicos. O esquema possui ainda o circuito oscilador e o reset que devem ser ligados ao microcontrolador.

9 9 Fig. 6 Diagrama das ações do programa do microcontrolador Foram realizados diversos testes em dias e horários diferentes, onde foi analisado o tempo de execução e resposta para as mensagens de texto. Cronometrando a partir do momento em que se enviava a mensagem de texto com o comando a ser executado até o retorno da mensagem de confirmação, foi registrado um tempo médio de 25 segundos, que para este tipo de aplicação é um tempo aceitável.

10 10 Fig. 7 Esquema elétrico da placa desenvolvida 5. Conclusões Este artigo mostrou as principais etapas para a criação de um projeto para controle de um alarme automotivo através de mensagens de texto, incluindo um protótipo para simulação de sistemas remotos com o uso de microcontroladores e baseados em SMS. O projeto teve como principal contribuição, apresentar um sistema que oferece segurança, praticidade e economia, e que permite ao usuário um alcance limitado apenas pela cobertura da rede GSM. Sendo um projeto portável e flexível, há a possibilidade da realização de diversos trabalhos adicionais e complementares. Além de o sistema permitir expansão e melhoria via software e/ou hardware, pode ser desenvolvido um projeto equivalente para outras áreas, como um sistema de segurança comercial, um sistema de biometria que permita monitoramento e recebimento de avisos através de SMS, sistemas de telemetria para coleta de dados a distância através das mensagens de texto outra aplicação onde seja interessante o controle e monitoramento à distância.

11 11 Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer aos professores e funcionários do Centro Superior de Educação Tecnológica (CESET), em especial aos da divisão de tecnologia em telecomunicações. Referências [1] M. AL-Rousan, A. R. AI-Ali and K. Darwish, GSM-Based Mobile Tele-Monitoring and Management System for Inter-Cities Public Transportations, IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2004, p [2] G. Jayasinghe, F. Fahmy, N. Gajaweera, D. Dias, A GSM ALARM DEVICE FOR DISASTER EARLY WARNING, First International Conference on Industrial and Information Systems, 8-11 August 2006, Sri Lanka, p [3] NICOLOSI, Denys Emílio Campion. Microcontrolador 8051 Detalhado. 4ª edição. São Paulo: Érica, p. [4] MAZIDI, Muhammad Ali; MAZIDI, Janice Gillispie. The 8051 Microcontroller and Embedded Systems. 1ª edição. Upper Saddle River: Prentice Hall, p. [5] SCHULTZ, Thomas W.. C and the 8051: Programming for Multitasking. 1st edition [s.l.]: Prentice Hall, p. [6] EBERSPÄCHER, Jörg; VÖGEL, Hans-jörg; BETTSTETTER, Christian. GSM: Switching, Services and Protocol. 2ª edição; West Sussex, England: Wiley, p. [7] BERTAZIOLI, Ornelio; FAVALLI, Lorenzo. GSM-GPRS: Tecniche - Architetture - Procedure/Evoluzione verso UMTS. 2ª edição; Milão, Itália: Hoepli, p. [8] MOTOROLA, Inc. Technical Information MOTOROLA G24 DEVELOPER S GUIDE: AT Commands Reference Manual. [s.l.], 2007 Rangel Arthur possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (1999), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (2002) e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (2007). Atualmente é Professor do Centro Superior de Educação Tecnológica, Professor da Faculdade Comunitária de Campinas e Professor do Instituto Superior de Ciências Aplicadas. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Telecomunicações. Atuando principalmente nos seguintes temas: TV Digital, OFDM, redes de freqüência única, estimador de canal, codificador turbo. Rafael Carvalho Figueiredo possui graduação em Tecnologia em Telecomunicações pela Universidade Estadual de Campinas (2007). Suas pesquisas estão focadas atualmente em sistemas microcontrolados e sistemas de comunicação móvel.

12 Luiz Henrique Bonani do Nascimento possui graduação, mestrado e doutorado pela Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas. Suas áreas de interesse são redes ópticas e comunicações móveis. 12

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