AMBIENTES INTELIGENTES: UMA ARQUITETURA PARA CENÁRIOS DE AUTOMAÇÃO PREDIAL/RESIDENCIAL BASEADA EM EXPERIÊNCIAS Reiner Franthesco Perozzo (1); Carlos Eduardo Pereira (1) (1) Departamento de Engenharia Elétrica - Grupo de Controle, Automação e Robótica (GCAR) Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) Av. Osvaldo Aranha, 103 - CEP: 90035-190 - Porto Alegre, RS - Brasil Telefone / fax: 55 51 3308-3129 / 3308-3293 E-mails: reiner.perozzo@ufrgs.br; cpereira@ece.ufrgs.br RESUMO Avanços nas áreas de Tecnologia de Informação e Comunicação (TIC) tornam viáveis as construções dos chamados Ambientes Inteligentes, ambientes dotados de sensores, controladores, interfaces homem-máquina e atuadores capazes de interagir e se adaptar à presença de usuários, facilitando as operações destes sobre o ambiente e otimizando as condições operacionais. Baseado na experiência de desenvolvimento de projetos entre nosso grupo de pesquisa em cooperação com a empresa de automação Homesystems, nós propomos neste trabalho uma arquitetura computacional que permite a implementação de ambientes inteligentes em cenários dotados de automação predial/residencial. A arquitetura proposta possui quatro características principais: (i) inteligência no controle de temperatura, baseado em sensores e agendas de ocupação para conforto térmico com otimização do consumo de energia; (ii) inteligência no controle de iluminação, adequando o nível de iluminação do ambiente a cada atividade que está sendo desenvolvida; (iii) uso de dispositivos portáteis como telefone celular e Personal Digital Assistants (PDAs) para operação remota e configuração do ambiente; (iv) interface multimodal, a qual permite que o usuário possa interagir naturalmente com cenário automatizado através de diversas maneiras. Tal arquitetura é validada através de um estudo de caso que utiliza como cenário uma sala de seminários automatizada. ABSTRACT Advances in areas of Communication and Information Technology (TIC) become possible the buildings of the called Intelligent Environments, environments with sensors, controllers, interfaces man-machine and actuators which are able to interact and adapt themselves to users presence, becoming simpler their operations about the environment and optimizating the operational conditions. Based on the experience of projects development between our research group in co-operation with the automation company Homesystems, we propose in this paper a computational architecture which allows the implementation of intelligent environments in sceneries with a building/residential automation. The proposed architecture has four main characteristics: (i) intelligence in the temperature control, based on sensors and occupation list of things to be done for thermic comfort with optimization of the energy consume; (ii) intelligence in the illumination control suiting the illumination level to each activity that is being developed; (iii) the use of mobile devices, like cell phones and Personal Digital Assistants (PDAs) for remote operation and ambient configuration; (iv) multimodal interface, which allows the user naturally interact with the automated scenery in different
ways. Such architecture is validated through a case study that uses, as scenery, automated seminaries room. Palavras-chave: ambientes inteligentes, automação predial/residencial, sistemas adaptativos. 1. INTRODUÇÃO Ambiente Inteligente é um conceito proposto pelo Grupo de Consultoria em Tecnologias da Sociedade de Informação (ISTAG) (DUCATEL, 2001) que define uma nova linha de pesquisa na qual o usuário é auxiliado em suas atividades diárias através de sua interação natural com serviços computacionais. Os Ambientes Inteligentes são caracterizados por se adaptarem às necessidades e às situações dos usuários (INI-GRAPHICSNET, 2003), (KIRSTE, 2005), (AARTS, 2002), tendo autonomia para agir (LINDWER, 2003) e sendo programados para reconhecer e aprender o comportamento do usuário que vive no Ambiente (HAGRAS, 2004). A interação realizada entre usuários e Ambientes Inteligentes pode ocorrer de várias maneiras, seja ela através de interfaces adaptativas, sistemas que reagem a determinadas ações, sistemas com diálogo multimodal ou através de aplicações multimídias. Os Ambientes Inteligentes podem ser implementados em cenários automatizados como, por exemplo, salas de reunião e salas de aula (NAZARI, 2006), sendo que as redes de dispositivos inteligentes contribuem para a integração entre pessoas, fornecendo informação, comunicação, serviços e entretenimento em qualquer lugar e em qualquer momento (AARTS, 2004). Especialmente a utilização de redes sem fio ( wireless ) nesses ambientes também permite a mobilidade das informações sobre atividades e preferências dos usuários (INI-GRAPHICSNET, 2003). Os Ambientes Inteligentes podem, ainda, admitir técnicas de Inteligência Computacional (IC), uma ciência que busca inspiração na natureza para desenvolver sistemas inteligentes com aspectos comportamentais similares ao homem, como: aprendizagem, evolução e adaptação (UHRIG, 1995), (ICA, 2006), (FUKUDA e KUBOTA, 1999). O tema envolvido na área dos Ambientes Inteligentes é mais que simplesmente uma questão de tecnologia embarcada entre objetos; envolve cultura humana, desejos universais, relacionamentos sociais, sistemas, gostos dos indivíduos, sustentabilidade econônica e código de ética (AARTS, 2004). Isso é o que difere um Ambiente Inteligente de outros conceitos como computação pervasiva (LIU,2004) e computação ubíqua (EDWARDS, 2006). 2. TRABALHOS RELACIONADOS Uma rede dinâmica de aplicações surge fornecendo suporte e auxílio contínuo aos usuários em suas atividades diárias (AARTS, 2004). Um exemplo de aplicação é o projeto Embassi (EMBASSI, 2006), financiado pelo Ministério da Educação e Pesquisa da Alemanha que integra universidades e empresas com o objetivo de desenvolver novas soluções para interação intuitiva entre usuários e dispositivos eletrônicos presentes em ambientes como residências e locais públicos. São investigadas tecnologias de interação entre o homem e o computador para criação de sistemas que ajudem o usuário a interagir naturalmente com seu ambiente pessoal. O Embassi desenvolveu uma arquitetura para aplicações de interação multimodal, na qual o usuário pode manipular o seu ambiente pessoal de acordo com suas preferências. Outros projetos importantes são o DynAMITE (DYNAMITE, 2006), uma proposta para possibilitar que dispositivos e softwares de diferentes fabricantes possam interagir analisando as preferências dos usuários por meio da interoperabilidade, e o Personal Environment Controller (PECo) (PECO, 2006), um projeto desenvolvido para PDAs e que oferece ao usuário acesso a diferentes tipos de mídias e manipulação de ambientes físicos. O PECo integra o mundo real e virtual do usuário dentro de um ambiente pessoal, criando associações entre os objetos virtuais e reais. Com o PECo o usuário pode interagir virtualmente com o seu mundo real, realizando tarefas e acionando dispositivos automatizados.
3. ARQUITETURA PROPOSTA Nesta seção é proposta uma arquitetura baseada em experiências do nosso grupo de pesquisa (GCAR, 2007) em cooperação com a empresa de automação Homesystems (HOMESYSTEMS, 2007). 3.1. Modelo Conceitual Nós propomos uma arquitetura (ver Figura 1) direcionada ao desenvolvimento de cenários de automação predial/residencial com o objetivo de atender quatro especificações básicas: (i) inteligência no controle de temperatura, baseado em sensores e agendas de ocupação para conforto térmico com otimização do consumo de energia; (ii) inteligência no controle de iluminação, adequando o nível de iluminação do ambiente a cada atividade que está sendo desenvolvida; (iii) permitir a utilização de dispositivos portáteis para operação remota e configuração do ambiente; (iv) possuir uma interface multimodal que permita ao usuário interagir naturalmente com cenário automatizado. Figura 1 Arquitetura Proposta Conforme pode ser observado na Figura 1, a arquitetura é definida basicamente em dois níveis: (i) automação, que se refere ao cenário automatizado e envolve sensores, controladores e atuadores; (ii) interação, nível que diz respeito ao modo como os usuários interagem com cenário automatizado. No nível de automação são definidos os componentes Controle de Temperatura e Controle de Iluminação, ambos responsáveis por realizar ações no ambiente com base nas informações recebidas dos sensores e nas preferências dos usuários. Essas preferências são identificadas pelos sistemas de controle por meio de configurações pré-definidas ou por um sistema dotado de IC treinado para aprender o comportamento dos usuários e agir de forma autônoma no ambiente. No nível de interação estão os usuários e os dispositivos portáteis. Esses dispositivos executam uma aplicação computacional que se comunica com os sistemas de controle do nível de automação, permitindo aos usuários configurar o ambiente remotamente de acordo com a sua preferência.
A interação está relacionada com o modo no qual o usuário pode realizar ações no cenário automatizado e ser reconhecido por ele. Esse reconhecimento pode ser efetuado com a implementação das chamadas interfaces multimodais, que permitiria, por exemplo, um usuário ser reconhecido pelo ambiente através de Radio-Frequency IDentification (RFID) ou por leitores biométricos (identificação de impressões digitais, reconhecimento de íris, etc). 3.2. Implementação O cenário automatizado escolhido para este estudo de caso foi a sala de seminários do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (PPGEE- UFRGS), que utiliza um conjunto de soluções projetado pela empresa Homesystems com diferentes módulos conectados em rede. Esses módulos possuem tanto funcionalidades independentes quanto funcionalidades dependentes de um módulo controlador central, chamado Systembox. O Systembox é, basicamente, um computador com sistema operacional Linux, responsável por controlar a rede Homesystems Network (HSNET - protocolo proprietário que opera sobre a camada física RS-485) e executar funcionalidades, oferecendo comunicação remota com todos os seus módulos, através de uma interface web. A Figura 2 ilustra quais são os dispositivos de automação utilizados e como estão fisicamente distribuídos na sala de seminários. Figura 2 Cenário Automatizado A partir dos dispositivos de automação presentes na sala são implementadas funcionalidades para controle de iluminação e de temperatura que acrescentam inteligência no cenário automatizado. A sala de seminários tem o seu controle centralizado no módulo Systembox, o qual recebe informações dos diversos sensores (presença, luminosidade e temperatura) distribuídos pelo ambiente, reconhecendo as preferências dos usuários e realizando acionamentos nos atuadores (Lâmpadas, etc.). Os dois sensores de presença estão dispostos fisicamente em uma posição estratégica que permite identificar em qual parte da sala há movimento. Isso possibilita que ao Systembox ajustar o sistema de Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) em função dos limites ocupados na sala. Já os sensores de temperatura e luminosidade informam ao Systembox quais são as atuais condições dessa sala. Essas informações permitem adaptações automáticas por parte do sistema de controle, dispensando a necessidade de uma intervenção humana. Para a interação multimodal entre os usuários e a sala de seminários são implementados os módulos Teclado e Dispositivos Portáteis. No módulo Teclado estão disponíveis quatro teclas que adaptam a sala de acordo com uma função pré-estabelecida e com uma agenda de atividades, por exemplo: existe
uma tecla com o nome Aula, que ao ser pressionada liga todas as lâmpadas e o ar condicionado. Já ao ser pressionada a tecla com o nome Apresentação, a tela de projeção é acionada e são ligadas apenas as lâmpadas localizadas no fundo da sala, o que proporciona um melhor visualização aos espectadores da apresentação projetada. O módulo de Dispositivos Portáteis permite que o usuário utilize um telefone celular ou um PDA para configurar remotamente o sistema de controle da sala (Systembox). Nessa configuração o usuário pode definir todo um cenário, por exemplo, a temperatura que deseja encontrar a sala em um determinado horário, bem como o estado das lâmpadas e da tela de projeção. Na Figura 3 é ilustrada a configuração remota de um cenário a partir da comunicação entre o dispositivo portátil e o Systembox. Figura 3 Configuração Remota de um Cenário 4. CONCLUSÕES E TRABAHOS FUTUROS Neste trabalho foi apresentada uma arquitetura para o desenvolvimento de Ambientes Inteligentes em cenários de automação predial/residencial. A inserção de inteligência em ambientes automatizados visa oferecer aos usuários mais que uma interação convencional (mouse, teclado e monitor) com os sistemas computacionais. É possível afirmar que quanto mais natural for a interação mais inteligente é o sistema no qual o usuário está inserido. A elaboração de projetos na área de Ambientes Inteligentes pode ser auxiliada através de arquiteturas bem elaboras que permitam integrar a automação predial/residencial com a IC, promovendo um maior grau de conforto e praticidade aos usuários. A otimização de energia também é um forte atrativo para a implementação dos Ambientes Inteligentes, uma vez que, pode ser realizada uma adaptação automática nos cenários em função da luminosidade existente. Isso poderia ser útil para reduzir o consumo de energia em determinadas horas do dia. Inúmeros cenários podem ser configurados para reagir a uma determinada ação do usuário, seja ao pressionar uma tecla, por um comando de voz ou até mesmo na identificação de sua impressão digital ao ingressar na sala. Um outro atrativo que oferece praticidade aos usuários é possibilidade de interagir com o Ambiente Inteligente através dos dispositivos portáteis, permitindo a realização de tarefas e configurações remotas de cenários. Como trabalho futuro serão acrescentados novos componentes na arquitetura proposta, principalmente com relação a interação multimodal, que irá contar com as seguintes implementações: (i) leitor biométrico para identificação dos usuários; (ii) sistema de microfonia que irá direcionar a câmera de vídeo para a origem do som; (iii) transmissão das aulas e reuniões via Internet, com adaptação e mecanismos para gerenciamento de Qualidade de Serviço (QoS).
5. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer ao CNPq pelo financiamento deste projeto e a empresa Homesystems pela cooperação realizada com o grupo de pesquisa. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AARTS, E.; HARWIG R. e SCHUURMANS M. Ambient intelligence. McGraw-Hill, Inc., New York, NY, USA, 2002, pp. 235 250. AARTS, E. Ambient intelligence: a multimedia perspective. Multimedia, IEEE. Vol. 11. Issue 1, Jan-Mar, 2004, pp. 12-19. DUCATEL, K. et al. Scenarios for Ambient Intelligence (ISTAG Report), Institute for Prospective Technological Studies (European Commission), Seville, 2001. DYNAMITE. DynAMITE: The Approach to Ubiquitous Computing within dynamic ad-hoc Device Ensembles. Disponível em: <http://www.igd.fraunhofer.de/igd-a1/projects/dynamite/index.html>. Acesso em: 14 nov. 2006. EDWARDS, W. K. "Discovery systems in ubiquitous computing". Pervasive Computing, IEEE. Vol. 5, Issue 2, April-June, 2006, pp. 70-77. EMBASSI. Embassi Project. Disponível em: <http://www.igd.fraunhofer.de/igda1/projects/embassi/index.html>. Acesso em: 14 nov. 2006. FUKUDA, T. e KUBOTA, N. "Computational intelligence for the robotics and automation" In Industrial Electronics, 1999. ISIE '99. Proceedings IEEE International Symposium on Vol. 1, 12-16 July 1999, pp. TU12 - TU21. HAGRAS, H. et al. "Creating an ambient-intelligence environment using embedded agents". Intelligent Systems, IEEE. Vol. 19, Issue 6, Nov-Dec, 2004, pp. 12-20. GCAR. Grupo de Controle, Automação e Robótica: Industrial Automation Lab. - UFRGS". Disponível em: <http://www.ece.ufrgs.br>. Acesso em: 17 mar. 2007. HOMESYSTEMS. Ambientes Inteligentes. Disponível em: <http://www.homesystems.com.br>. Acesso em: 17 mar. 2007. ICA. Laboratório de Inteligência Computacional Aplicada. Disponível em: <http://www.ica.ele.puc-rio.br>. Acesso em: 9 nov. 2006. INI-GRAPHICSNET. The annual reports: 2003INI-GraphicsNet member contain information and articles about projects and products. Disponível em: <http://www.inigraphics.net/press/annual/jb/jb- IGD2003_en_n.pdf>. Acesso em: 8 nov. 2006. KIRSTE T. Smart environments and self-organizing appliance ensembles. Aarts E, Encarnação J. L. (eds): True Visions, Springer, 2005. LINDWER, M. et al. "Ambient intelligence visions and achievements: linking abstract ideas to realworld concepts". Design, Automation and Test in Europe Conference and Exhibition, 2003, pp. 10-15. LIU, R.; YANG, H. e PAN, W. "An evolutionary system development approach in a pervasive computing environment". Cyberworlds International Conference on 18-20 Nov, 2004, pp. 194-199. NAZARI, A. A. S.; KLAR, F. e KIRSTE, T. 3DSim: Rapid Prototyping Ambient Intelligence. Disponível em: < http://www.igd.fhg.de/igd-a1/projects/amilab/index.html>. Acesso em: 6 nov. 2006.
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