AUTOMADROID - AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL COM DISPOSITIVOS MÓVEIS JAMIESON DA P. LEITTE, LEONARDO O. DA SILVA, MARCOS M. MOREIRA, ROGER R. DA SILVA Instituto de Estudos Superior da Amazônia - IESAM Av. José Malcher, 1148, CEP:66055-260 – Bairro: Nazaré - Belém – Pará - Brasil E-mails:
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[email protected] Abstract This work was developed with the goal of exposing the convenience and flexibility of a project involving home automation. In the project in question was concerned to develop a low cost and easy handling that pro-porcione comfort and convenience to its users. For this we used the Android mobile operating system, which through a wireless network, communicates with a free prototyping board, the Arduino. From this point you can drive as many simple controls (On / Off), proportional and others. Upon completion of the project is expected to achieve a high system reliability and efficiency considerably, showing therefore that there are open source technologies such as Android and Arduino, available in the market to create any type of system. Keywords Home automation, Android, Arduino, Drive. Resumo Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de expor a praticidade e flexibilidade de um projeto envolvendo automação residencial. No projeto em questão preocupou-se em desenvolver um sistema de baixo custo e de fácil manuseio que proporcione conforto e comodidade aos seus usuários. Para tal utilizou-se o sistema operacional móvel Android, que por meio de uma rede Wireless, estabelece comunicação com uma placa de prototipagem livre, o Arduino. A partir deste ponto, é possível realizar diversos controles como acionamentos simples (On/Off), dimerizados e acionamentos de portões eletrônicos. Após a conclusão do projeto espera-se realizar um sistema de alta confiabilidade e de considerável eficiência, mostrando, portanto que existem tecnologias de código aberto, como Android e Arduino, disponíveis no mercado para se criar qualquer tipo de sistema. Palavras-chave Automação Residencial, Android, Arduino, Acionamento.
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Introdução
Muito reconhecida no meio industrial, a automação vem se expandindo rapidamente entre os grandes empreendimentos residenciais e corporativos, tudo isso se deve as grandes inovações tecnológicas criadas para atender as exigências de um mercado ainda em expansão, mas que já mostra a cara através da automação residencial. Os fatores predominantes que vem contribuindo para rápida disseminação dessa nova tecnologia é sem sombra de dúvidas o aumento exacerbado dos grandes centros urbanos juntamente com a violência. Hoje a população tenta, na medida do possível, trazer para dentro de suas residências as necessidades básicas de segurança, comunicação, gestão energética e conforto para que não seja necessária a exposição a possíveis riscos (WORTMEYER, 2005). Apesar dessas tais inovações ainda não estarem acessíveis a todas as classes sociais, devido ao seu alto custo, o mercado de automação residencial vem crescendo de forma considerável ao longo dos anos, de tal modo que o número de projetos do gênero, nesses períodos, tem se multiplicado rapidamente, segundo TECPAR (TECPAR, 2011). O projeto Automadroid, vem na tentativa de quebrar alguns paradigmas das inovações tecnológicas assim como solucionar problemas simples, através de seu baixo custo e de sua capacidade de realizar comandos similares a sistemas mais sofisticados. Dessa forma busca-se atender os anseios de uma grande parte da sociedade, promovendo de forma rápida e confiável a ascensão dessa nova tecnologia.
Com o sistema proposto é possível controlar, de forma prática, a intensidade luminosa das lâmpadas LED RGB, acionar travas e portões eletrônicas. Assim como também ligar e desligar quaisquer equipamentos eletroeletrônicos dentro de uma residência. Todos esses comandos são realizados através do smartphone do usuário que se encontra conectado, via Wi-fi, a um servidor de acionamentos localizado a um ponto especifico da casa. O principal objetivo do sistema é expor a aplicabilidade e funcionalidade de um projeto de automação residencial (Domótica), desenvolvendo-o de forma mais acessível economicamente, assim como prover aplicações e serviços através da automação de uma área habitável de modo a poder proporcionar conforto aos seus ocupantes, mediante um estudo racional em termos de iluminação, conforto e dos aspectos de segurança. O processo de funcionamento do sistema inicia-se com a escolha de um comando feita pelo usuário através do smartphone e que por sua vez envia informações através de uma conexão socket, via Wi-fi, para um software localizado no microcontrolador do Arduino. Este dispositivo envia esses dados através de suas portas analógicas (PWM) e digitais para realizar os acionamentos solicitados. O software desenvolvido pela Automadroid, ainda conta com recursos de interface de fácil manuseio e amigáveis aos usuários, pois proporciona aos mesmos o direito de personalizar seus perfis de acordo com o estilo de vida em que levam em suas residências.
2 Domótica A domótica é a tecnologia responsável pela gestão de todos os recursos habitacionais. Esse termo nasceu da fusão da palavra “Domus” (casa), com a palavra “Robótica” (eletrônica + informática), que está ligada ao ato de automatizar (ELIANE, 2011). São estes dois últimos elementos que, quando utilizados em conjunto, rentabilizam o sistema, simplificando a vida diária das pessoas, satisfazendo os seus necessidades de comunicação, conforto e segurança. O projeto que tem por base de funcionamento o acionamento de dispositivos móveis via Smartphones, conta com um kit Arduino (Arduino Uno e Shield Ethernet) e duas placas de condicionamento, que com a integração amigável entre os mesmos, tem por finalidade controlar a luminosidade de uma fita de led RGB, um motor para portão eletrônico e ao mesmo tempo realizar comandos relativamente simples referentes aos demais dispositivos encontrados na residência. O critério de escolha dos equipamentos levou em consideração a criação de um sistema de baixo custo e de fácil manuseio favorecendo novamente a acessibilidade a todos. 3 Sistema para Automação Residencial O projeto Automadroid, como já foi citado, tem o objetivo simples de facilitar o manuseio dos equipamentos na residência, além de trazer maior comodidade para o usuário, obtém maior controle dos equipamentos pertencente ao sistema de automação. Para facilitar o entendimento, abaixo é mostrada na figura 1, contendo os equipamentos que formam o sistema de automação residencial.
desligado. O usuário localizado no quarto, através do seu smartphone com plataforma Android, pode controlar a intensidade luminosa da cozinha, na qual o dispositivo responsável por realizar esta função, é uma fita LED. Outra função que o usuário pode realizar é abrir o portão eletrônico, localizado na garagem, com apenas um clique no programa em Android. Os dispositivos móveis ao se conectar na rede sem fio, através do roteador wireless, recebe um endereço IP (Internet Protocol) automaticamente, onde estará apito para realizar comando através no programa em Android. Os comandos do usuário chegam à plataforma Arduino, conectado ao roteador, onde tem a responsabilidade de tratar as informações solicitadas pelo usuário, formando assim o sistema de automação residencial. 4 Sistema embarcado Segundo Cunha (AF Cunha, 2007), colocar capacidade computacional dentro de um circuito integrado, equipamento ou sistema é a forma mais apropriada de se definir o que venha a se um sistema embarcado. O uso desses sistemas tem como objetivos otimizar os acionamentos, minimizar custos e tamanho das placas desenvolvidas, assim como utilizar tecnologias já presentes hoje no mercado. O usuário final não terá acesso ao programa que foi embutido no dispositivo, mas poderá interagir com o equipamento através de interfaces como teclados, displays e até mesmo com um smartphone, desde que o sistema tenha sido projetado para tanto. No sistema Automadroid, para realizar o controle dos diversos dispositivos utilizou-se de placas de condicionamento e de um kit Arduino, composto por um Arduino Uno e um Shield Ethernet, que terão como função principal o controle proporcional da iluminação e de acionamentos simples de alguns dispositivos da residência. O Sistema como um todo, foi elaborado encima da placa de prototipagem Arduino que juntamente com seu Shield Ethernet forneceram um excelente desempenho quanto às taxas de processamento dos acionamentos. Além disso, foram elaboradas placas de condicionamento de corrente visando suprir esse déficit de corrente na saída da placa Arduino Uno necessários ao bom funcionamento do sistema. 4.1 Arduino
Figura 01 – Sistema de Automação Residencial
Todo o controle do sistema está nas mãos do usuário, ele é capaz de realizar comandos ou obtém as informações do projeto, como por exemplo, saber se o ventilador que está na sala de serviço está ligado ou
O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre responsável por realizar a leitura e a execução de comandos solicitados pelo usuário. Esta placa utiliza o microcontrolador ATmega, que apesar de ser pequeno, é bastante robusto e atende perfeitamente os processos requisitados. O microcontrolador ATmega é programável através do software disponibilizado pelo site do Arduino.cc, com uma linguagem “C” bastante didática devido
existir várias funções prontas, facilitando na sua programação. O Arduino Uno, que oferece todos os periféricos necessários para o bom funcionamento do sistema, contém quatorze entradas ou saídas digitais, e seis entradas analógicas que podem ser utilizadas como saídas PWM. No sistema Automadroid foram utilizados três saídas PWM além de algumas saídas digitais, responsáveis por controlar a intensidade luminosa da fita RGB e de realizar comandos relativamente simples, como acionamentos On/Off respectivamente. A placa do Arduino Uno está presente na figura 2.
Figura 2 – Placa Arduino Uno
4.2 Shield Ethernet O Arduino Shield Ethernet permite que a placa Arduino se conecte a quaisquer dispositivos inseridos em uma rede LAN (Rede local de computadores) ou até mesmo uma WAN (Rede mundial de computadores - internet). Esta placa utiliza o chip ethernet Wizner que é responsável por fornecer acesso a redes ethernet, possibilitando a utilização de inúmeros protocolos, como TCP e UDP. A mesma suporta até quatro conexões de soquetes simultâneos, permitindo a adição de outros Shields complementares. Para utilizar o Arduino como cliente de rede, como foi proposto no projeto Automadroid, basta utilizar bibliotecas de rede na programação do Arduino UNO e configurar IP, máscara de rede e Gateway, para construir uma conectividade com a rede local da residência. A figura 3 ilustra com mais detalhes a placa Shield Ethernet.
40 mA, com isso existe a necessidade de utilizar um circuito de condicionamento de corrente para amplificar esta grandeza e acionar relés, leds da fita RGB, motores de portões eletrônicos e posteriormente dispositivos diversos da residência. O projeto proposto consistiu em desenvolver placas de condicionamento de corrente para que fosse possível controlar de forma satisfatória os acionamentos solicitados através de um smartphone. Para acionar os relés de 5V, foi disponibilizado esta tensão através da saída digital da placa do Arduino Uno, porém não basta apenas ter a tensão de 5V, também se faz necessário obter uma corrente de no mínimo 60 mA. Para isso, utilizou-se o transistor tipo NPN BC548 para suprir essa falta de corrente no circuito, através de ganhos proporcionas gerado pelo coletor do transistor. Para o transistor amplificar a corrente e obter um valor no mínimo de 60 mA, utilizou-se uma resistência 1k ohms na base do transistor e no emissor foi alimentado com o GND do sistema. O relé tem a corrente requisitada através do coletor do transistor. Existem ainda os diodos (D1 e D3), chamado de diodo de roda livre, para a proteção do transistor em caso de corrente de pico reversa na condução da bobina do relé. Para um melhor entendimento, a figura 4 mostra um esquemático do circuito de acionamento On/Off.
Figura 4 – Circuito de acionamento On/Off
Figura 3 – Shield Ethernet
4.3 Placas de Condicionamento Estes acionamentos são realizados através de saídas digitais do Arduino Uno, porém estas saídas disponibilizam correntes muito baixas, em torno de
Um caso parecido com o acionamento através do relé ocorre para o acionamento da fita de led RGB, pois a placa do Arduino Uno não apresenta uma corrente de saída suficiente para acionar a fita de led, nem disponibiliza a tensão de 12V requerida Para realizar o acionamento e obter estas grandezas, foi necessário utilizar o transistor TIP 120. Na base do transistor foi usado um resistor de 220 ohms e foi direcionado o emissor para o GND. No coletor do transistor foi disponibilizado a saída para as três entradas da fita led RGB. Para obter a variação da intensidade luminosa, entra em funcionamento o PWM disponibilizado pela placa do Arduino Uno. Nas saídas analógicas da placa Arduino Tout1 à Tout3, como é mostrado na
figura 5, existem uma tensão que variam dentro de uma faixa de 0V à 7V aproximadamente. aproximadamente Dessa forma consegue-se obter uma diferença de potencial po em relação a tensão de entrada da fita de 12V, consecons guindo então a intensidade luminosa desejada. Na figura 5 é mostrado um esquemático do circuito de acionamento da fita de led RGB.
127V, contra um tensão de 12V na saída do chip, então foi necessário utilizar a combinação de dois do relés para ara fornecer a tensão necessária para acionar o motor e direcionar o sentido requisitado, requisitad como mostrado na figura 7.
Figura 7 – Circuito de condicionamento da rotação rota do motor
Figura 5 – Circuito de acionamento da fita de led RGB
Para realizar o acionamento do motor do portão eletrônico, foi utilizada uma placa contendo um circuito integrado com duas pontes-h (L298N), (L298N) podendo acionar um motor DC de 3 a 30 V. O chip L298N é responsável sável por inverter a rotação do motor para direcionar o sentido de abertura do portão. portão A figura 6 mostra a placa contendo o chip L298N.
Para realizar estas tarefas, é necessário que o sistema informe o que e quando fazer as tarefas demandadas. Para isso é necessário uma serie de itens que serão abordados nos próximos tópicos. 5 Conectividade e Comandos omandos do Automadroid Neste projeto, realizar tarefas de controle é o ponpo to principal, porém, é necessário contar com uma interface de manipulação, uma estrutura de comunicomun cação e por fim um sistema de acionamento. acionamento Este conjunto de ferramentas deve estar alinhado para trabalhar perfeitamente tamente de forma conjunta e ordenaorden da. Para transformar um simples click na tela do smartsmar phone em um acender e apagar de luzes, o Automadroid conta com o envio de pacotes socket previamente padronizados no app Android, através da rede wifi estes pacotes são entregues ao Arduino. Uma vez recebidos, o Arduino interpreta os comando coman existentes nos pacotes e realiza as tarefas que lhe são demandadas, conforme me a ilustração na figura 8.
Figura 6 – Placa contendo o chip L298N
Através da placa contento a ponte-hh é possível fazer combinações lógicas nas entradas do chip, como mostrado na tabela 1 a seguir,, e obter o sentido de rotação. Tabela 1 – Combinação lógica para acionar o sentido de rotação do motor
Pinagem Arduino D4 D5/PWM D6/PWM D7
Sentido Horário 1 0 0 0
Sentido Anti-horário 0 0 1 0
Apenas a utilização do circuito integrado L298N, não foi o suficiente para o perfeito funcionamento do motor, pois o mesmo utiliza tensão alternada de
Android
Rede
Arduino
Acionamentos
• Interação com usuário • Envio de comandos
• Conectividade • Entrega de pacotes
• interpretação de comandos • controle de acionamentos
• Motores • Lampadas • Alarmes
Figura 8 – Esquema de funcionamento
Para toda esta estrutura funcionar, é imprescindível imp contar com uma rede ede WLAN configurada de maneira apropriada para as padronizações de rede adotadas pelo projeto. Além dos requisitos anteriormente citados, é impresimpre cindível que o usuário disponha de um dispositivo no qual seja possível interagir com o sistema. É neste momento que surge o dispositivo móvel que será abordado no tópico seguinte.
5.1 Smartphone Segundo Euzébio (Euzébio, 2011), o surgimento dos Smartphones possibilitou uma melhor utilização desses dispositivos móveis como interfaces de controle para sistemas de automação residencial. Bastante difundido atualmente, os Smartphones tem suprido com eficiência as exigências do projeto Automadroid, haja visto que são equipamentos de fácil manuseio, com excelente desempenho e de custos relativamente baixos em relação aos seus concorrentes. Através desses equipamentos o usuário passa a interagir diretamente com os equipamentos configurados e instalados em pontos específicos da residência, sem que haja qualquer contato físico com os interruptores. A ideia dos Smartphones no projeto foi uma forma encontrada para dar dinamismo ao sistema, já que através deles quaisquer acionamentos poderão ser feitos através de um simples toque na tela. Para que o usuário possa interagir com o sistema se faz necessário que o mesmo tenha primeiramente em seu Smartphone, o aplicativo desenvolvido pela Automadroid instalado, após isso o usuário estará em plenas condições a utilizar o sistema, realizando os acionamentos dos dispositivos a distancia. Mas para enviar estas informações ao restante dos equipamentos, é necessário um meio de comunicação. Para tal finalidade utilizou-se do recurso de rede wireless (WLAN – Rede local Wireless), presente em absolutamente todos os smartphones comercializados atualmente. 5.2 Redes WLAN As redes wireless (WLAN) são um dos principais meios de conectividade utilizado no mundo atualmente. Fruto da exploração das ondas de radio frequência para fins de telecomunicação, as redes wireless estão presentes em quase todos os lugares imagináveis, inclusive nas residências. Partindo deste ponto, seria possível explorar esta tecnologia para exercer a função de meio de comunicação dos ativos deste sistema. Para usufruir dos recursos das redes wifi, foi necessário estabelecer padrões, que ditariam o comportamento e dos equipamentos que desenvolveríamos, funcionando em rede. Para esta escolha, frisou-se que seria necessário utilizar os recursos mais presentes nas maiorias das residências, os quais não impactariam negativamente no funcionamento da rede local e que também provessem um certo nível de confiabilidade e segurança ao projeto. Deste modo, adotou-se a utilização do protocolo TCP-IP v4, com endereçamentos de rede classe A e serviço de server DHCP opcional. 5.3 Android App A aplicação de interação com o usuário é um dos pontos mais críticos na elaboração do projeto. Desenvolver uma interface amigável, fácil de usar e
acima de tudo funcional eram requisitos fundamentais desta etapa. Desenvolvido na IDE Eclipse e em linguagem Java, o app batizado de Automadroid, possui quatro etapas de criação concluídas, são elas: menu principal, controle simples, controle proporcional e controle de motor. A Figura 9 mostra o layout das telas.
Figura 9 – Telas app Android
A Interface menu, é a controladora das demais interfaces, é onde o usuário poderá navegar pelo sistema e escolher qual interface secundária deseja abrir. Na tela de controle simples, é possível para o usuário acionar qualquer dispositivo na modalidade on/off, onde neste exemplo utilizamos a figura de uma tranca. A interface de controle proporcional foi a interface mais complexa de ser desenvolvida e consequentemente a mais interessante de se utilizar, nela é possível em tempo real variar a intensidade de funcionamento de inúmeros equipamentos, neste exemplo utilizou-se uma lâmpada, a qual terá seu brilho controlado de acordo com a preferência do usuário. Na janela de controle de motores, encontramos um funcionamento muito semelhante ao do acionamento simples, porém, nesta interface é possível não só ligar e desligar, mas também inverter o sentido de rotação do motor. Para realizar esta tarefa, é necessário que o usuário clique na figura do motor e o sistema encarrega-se de executar a ação, seguindo um modelo mundialmente utilizado nas centrais de controle de portões eletrônicos. Este padrão obedece à tabela 2, a qual depende apenas das variáveis status (situação atual do motor) e memoria (ultima ação executada).
Tabela 2 – controle de motores
Status Parado Parado Ligado
Memoria Fechar Abrir -
Ação Abrir Fechar Parar
Esta aplicação, além de apresentar opções de manipulação ao usuário, tem como tarefa o envio de comandos ao Arduino. Estes comandos são enviados por meio de pacotes socket e seguem um padrão definido de vetor caracteres, onde o vetor possui sempre cinco caracteres sendo dois para seleção de controle e três para valor de controle, conforme mostrado na tabela 3: Tabela 3 – Códigos de comandos Comando Seleção Valor Descrição A0045
A0
045
Controle analógico, canal 0, 45%.
D5000
D5
000
Controle digital, canal 5, “Off”.
A3100
A3
100
Controle analógico, canal 3, 100%.
D0111
D0
111
Controle digital, canal 3, “On”.
Além das etapas já concluídas neste sistema móvel, é possível implementar inúmeras melhorias e complementos. Realizar manipulações mais completas com eletroeletrônicos, interação com multimídia, melhorar a experiência do usuário, sobretudo no quesito referente ao domínio e utilização dos equipamentos são metas tangíveis para próximas etapas de desenvolvimento. 6 Resultados Definir quais pontos seriam abordados e sua sequência de execução ditaram os resultados obtidos. Visando concluir as etapas principais, foram divididos alguns pontos de elaboração do projeto, como: desenvolvimento de placas de condicionamento de tensão e corrente, programação Arduino, criação do aplicativo para Android. No fim do período disponível para desenvolvimento observamos que as etapas seguiram seu curso estimado e foram concluídas dentro do previsto, dentre essas etapas pode-se concluir que foram implementados sistemas de acionamentos simples (On/Off) utilizando um ventilador ou uma lâmpada, sistemas de dimerização utilizando uma fita RGB e sistemas de acionamento de portão eletrônico. Analisando a aplicação prática das etapas concluídas, observa-se que o conjunto funcional do projeto que inclui Arduino, Android, rede WLAN e placas de acionamento e conexões, funciona de maneira satisfatória. Atendendo ao proposto e acima de tudo provando a viabilidade prática do projeto.
7 Conclusão A Domótica se apresenta na atualidade como uma revolução nos ambientes domésticos por incorporar esse novo conceito de integração entre os diversos equipamentos e dispositivos de uma casa numa única central de comando. Apesar do ceticismo que ainda existe por parte dos consumidores, pode-se perceber que cada vez mais a sociedade e usuários demandam por soluções de automação em suas residências com vistas à automatização de pequenas tarefas diárias e repetitivas, aumento da segurança e entretenimento. Nesse projeto foi apresentado o sistema de automação residencial Automadroid. Ele permite que o usuário controle quaisquer eletroeletrônicos de uma residência, desde que sejam configurados para isso, através de um Smartphone, e com pouco investimento. Com isso, pode-se concluir que a automação residencial se configura num desafio do presente, devendo prover ao usuário interfaces amigáveis e descomplicadas, como também disponibilizar a informação e possibilidade de controle da residência a partir de qualquer lugar, através da Internet, de modo a utilizar a eletrônica como “plano de fundo” para colocar em primeiro plano a sociabilidade e bem-estar do usuário. 8 Agradecimento Dedicamos nossos sinceros agradecimentos primeiramente a Deus, pois sem sua eterna bondade nada seria possível fazer. Agradecemos o apoio fundamental a nós dados por nossas famílias por todo carinho e compreensão dispensados durante todo o período do curso, sem os quais jamais teríamos chegado até aqui. Agradecemos a todos os nossos parceiros de faculdade e em especial do Serpro e Celpa que sempre estiveram à disposição para compartilhar suas experiências e nos ajudar na execução de nossos projetos. 9 Referências Bibliográficas AF CUNHA. Saber Eletrônica, (2007). Disponibilizado em: http://techtraining.eng.br/conteudo/ARTIGOSIST-EMB.pdf. Acesso em: 18/11/2012. AURESIDE, Associação Brasileira de Automação Residencial. Temas técnicos: Conceitos Básicos, Benefícios da automação. Disponível em: http://www.aureside.org.br/temastec/default.asp? file=concbasicos.asp. Acesso em: 17/07/2012. BOLZANI, C.; Desmistificando a Domótica. AURESIDE. 2007. Artigo disponível em: http://www.aureside.org.br/artigos/default.asp?fi le=01.asp&id=74. Acesso em:16/07/2012.
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