Dispositivo residencial restinado a fabricação no parque industriário brasileiro.
Melisse Pontes Cabral
Universidade Federal do Ceará
Sobral, Ceará
Julio C. F. Lima,
Universidade Federal do Ceará
Sobral, Ceará
Abstract—This report proposes to present the development of a residential automation destined to be manufactured in the Brazilian industry. They were used to carry out the project by developing free software like Arduino IDE. During the report, several development environments will be presented, targeting not only the hardware, but also the software and the results of the final object.
Key-words: home automation; Arduino; IRremote; TSOP.
A proposta do projeto é trazer um dispositivo de automação de simples instalação e uso a um baixo custo, para que fosse possível sua inserção no mercado brasileiro. Isso foi fator determinante para a escolha de componentes utilizados na concepção do protótipo.
Os sensores infravermelhos para a recepção de dados proporcionam uma série de vantagens quando comparado a outros tipos de comunicação sem fio, como baixo custo, simplicidade de implementação e pela sua baixa vulnerabilidade a ruídos externos, desse modo é um tipo de comunicação robusta (HAYKIN; VEEN, 2003). O controle remoto é um objeto comum a vários dispositivos eletrônicos presentes no cotidiano, em sua maioria é comum encontrar teclas que não possuem nenhuma funcionalidade, com o dispositivo é possível utilizar essas teclas. Isso é possível devido aos botões programáveis presentes no dispositivo que ao ser pressionado espera receber um novo valor passado pelo controle e o cadastra para acionamento, o que torna possível a troca de controles ou até mesmo uma melhor configurações de teclas.
O protótipo atendeu aos objetivos precitados como a possibilidade de ser adquirido por pessoas de baixo poder de compra e a difusão das tecnologias aplicadas no protótipo, dado ao baixo custo de desenvolvimento empregado.
Durante projeto foram utilizados, módulo de sensor infravermelho TSOP 1738 \[7\] utilizado para fazer a comunicação entre o Arduino \[10\] e o controle remoto, Arduino Pro Mini com o microcontrolador ATmega168, usado para receber dados do TSOP e controlar os acionamentos que são possíveis utilizando relés, resistores, transistores e diodos. Também foram utilizados dois botões para sinalizar a gravação do botão desejado e um controle remoto genérico para ligar e desligar os equipamentos conectados ao dispositivo desenvolvido.
O microcontrolador ATmega168 possui uma arquitetura baseada em RISC, garante um bom desempenho a baixo consumo de energia, sendo limitado apenas pela memória em relação ao bastante difundido ao ATmega328. Entretanto atende bem as necessidades do protótipo pois não há uma grande necessidade de alocação de memória para o funcionamento do dispositivo. Há a possibilidade de usar portas analógicas ou digitais, porém nesse projeto foram utilizadas exclusivamente as portas digitais. A aquisição de dados é feita pela comunicação em infravermelho.
1. Arduino: O dispositivo utilizado foi o Arduino Pro Mini por se tratar de um dispositivo pensado pra ser semi-permanente, dado que trata de um plataforma de desenvolvimento provisória destinada a protótipos. Possue quatorze portas digitais e seis portas as analógicas que podem ser utilizadas para recepção e envio de dados. O modelo o ATmega168 possui tensão de alimentação de 5V, com uma memória flash de apenas 16 KB, o que é suficiente para a programação do dispositivo. Esse modelo de microcontrolador possui um clock de 16 MHz que atendeu bem as necessidades do protótipo.
2. Digital: As portas digitais possuem um funcionamento padrão no qual há apenas dois estados o HIGH e o LOW e funciona em níveis lógicos. O estado LOW compreende ao valor de 0V, enquanto o HIGH compreende valores recebidos superiores a 3V. Essas portas podem ser utilizadas tanto como entrada de dados como saída. No projeto for utilizada tanto portas digitais de entrada como de saida. Foram dedicadas duas portas ao acionamento dos relés, que por sua vez aciona o equipamento. Entretanto para a utilização de sensores modernos com leitura de dados diferentes de valores lógicos são usadas bibliotecas específicas para leitura e transmissão de dados. A exemplo desse tipo de sensor temos o TSOP que opera recebendo hexadecimais, por meio de uma porta digital os envia ao microcontrolador que utiliza a biblioteca “IRremote” [8] para interpretar as palavras recebidas.
A tecnologia de infravermelho é um protocolo de transmissão sem fio de dados usados para controlar e operar diversos dispositivos, a transferência de dados de infravermelho é implementada de acordo com os protocolos e padrões da IrDA (Infrared Data Association). Esses padrões são projetados para aceitar componentes de baixo custo e reduzir a demanda de energia, e para ativar conexões simplesmente apontando dispositivos de infravermelho um para o outro (BARKER, et al, 2002).
Entre os vários protocolos de comunicação IR existentes, todos possuem objetivos em comum como: velocidade do canal completo, segurança, baixo custo, baixa manutenção, circuitos de fácil implementação, mas diferenciam-se no modo de comunicação e na transmissão dos dados tendo variações no número de instruções, tamanho da palavra de bits transmitida, no consumo de energia, compatibilidade com dispositivos eletrônicos, faixa de frequência de operação e etc. (HAYKIN; MOHER, 2010).
O protocolo Consumer Infrared (CIR) utiliza LEDs infravermelho que nada mais são do que diodos emissores de luz no comprimento de onda do infravermelho, utiliza também receptores infravermelhos de encapsulamento único, que são circuitos integrados optoeletrônicos. Tais receptores possuem toda a etapa óptica, lente, transdutor, etapa eletrônica, filtro passa-faixa e amplificador, necessária para realizar a recepção e demodulação do sinal infravermelho sem maiores complicações (KAHN, 1994).
Estes receptores recebem infravermelho no comprimento de onda em torno de 950nm, ou seja, dentro da categoria Near Infrared NIR/IR-A, mas só amplificam os sinais que estejam modulados numa determinada frequência. As frequências mais comuns nos modelos comerciais são 37kHz, 38kHz, 40kHz e 56kHz, embora esta última seja difícil de encontrar nos dias atuais (ROCHOL, 2012).
Fig. 1: Circuito de Potência e Acionamento
Fig. 2: Circuito Lógico e de Controle
O microcontrolador foi programado utilizando a IDE Arduino, que é uma plataforma de desenvolvimento de código aberto disponível em várias versões no GitHub. A plataforma pode ser utilizada para a programação de qualquer Arduino utilizando a linguagem C e possui diversas bibliotecas disponíveis em também em código aberto para a integração de inúmeros módulos e sensores.
Como supracitado foi utilizado a biblioteca “IRremote” para interfacear a comunicação infravermelha, a biblioteca é suportada por grande parte das placas Arduino, e seu o uso torna a programação simples. Após a inserção da biblioteca é necessário declarar o “IRrecev” responsável por ser o receptor de dados, informando o pino o qual está conectado o TSOP, a partir deste ponto já estamos aptos a receber de dados. Precisamos também declarar o “decode\_results*”* que será necessário para a manipulação dos dados passados do TSOP para a porta digital. Na figura 3 é possível observar a inclusão da biblioteca e a declaração do receptor do TSOP.
Fig. 3: IDE Arduino
A programação em C é simples e intuitiva, pois é feita de modo estruturada, para projetos maiores também pode ser feito o uso de orientação a objeto. O código foi escrito e refatorado de modo a ficar de fácil manutenção, coeso e com um baixo acoplamento.
Na função de reprogramação de teclas, por sua vez é acionada por botões ligados a portas digitais, que ao serem pressionados iniciam uma nova rotina de duração predefinida onde aguarda uma nova entrada de dados pelo TSOP em um tempo predefinido, caso seja recebido algum valor pelo sensor esse novo valor será associado a variável de acionamento que corresponda ao botão pressionado, caso não receba nenhum dado até o fim do tempo definido nada acontece.
O aumento em busca de novas tecnologias que possam simplificar o uso de aparelhos eletrônicos no cotidiano propulsiona o mercado de automação e controle. E essa busca que inicialmente partiu para setor industrial excitou o público em geral a cada vez mais procurar itens que sejam automatizados, de modo que possa proporcionar um maior conforto em suas residências.
Pensando nessa necessidade de mercado foi idealizado um dispositivo de acionamento genérico, de modo a atender a diversas aplicações com um baixo custo de aquisição.
A comunicação infravermelha possui vantagens em meio a outras tecnologias de comunicação sem fio, como o baixo custo que foi um fator chave para a concepção de um protótipo que garante bons resultados a custos que tornam a automação residencial possível para o mercado brasileiro.
O dispositivo foi desenvolvido pensando em um ambiente como uma sala de tv ou quarto, para efetuar o controle de dispositivos comuns a estes ambientes em lares brasileiros como o um abajur e um ventilador. Assim ao efetuar o controle a distância, o dispositivo proporciona conforto ao usuário. Esta é a máxima agregadora de valor ao produto.
Por se tratar de um protótipo, o circuito foi montado em uma placa perfurada de fenolite, que é composta por uma matriz de furos e ilhas isoladas, de modo que as trilhas do circuito são feitas utilizando preenchimento com solda eletrônica em locais onde há a possibilidade de passagem de alta corrente ou fios para contatos de baixa corrente, como pode ser observado na figura 5. Essa escolha foi influenciada pela facilidade no desenvolvimento da placa, pois o processo de desenvolvimento de uma placa de circuito impresso seria dispendioso e oneroso quanto a criação do design. A distribuição de componentes foi pensada para otimizar o espaço a fim de que o dispositivo pudesse ser encaixado na caixa idealizada como mostrado na figura 6.
Fig.4: Protótipo do Circuito Lógico e de Controle, Vista Frontal
Fig. 5: Protótipo do Circuito Lógico e de Controle, Vista Traseira
O protótipo foi concebido utilizando o conceito “design clean” \[9\] onde se preza pelo aspecto limpo com poucos ou nenhum ornamento, mantendo apenas aquilo é necessário, causando de pouca a nenhuma interferência nos ambientes em que foram inseridos.
Fig. 6: Protótipo do Circuito Lógico e de Controle, Vista Traseira
A disposição do sensor foi escolhida para que não houvesse superposição dos fios dos dispositivos conectados, mantendo assim livre barreiras físicas que pudessem atrapalhar a recepção de sinal enviados a ele. Os botões foram colocados em um local de fácil acesso para que mesmo que com dispositivos conectados fosse possível acionar suas funções.
O protótipo desenvolvido está em uso a cerca de 4 meses em um ventilador de uso diário, e desde então não foram observadas nenhuma falha no dispositivo. Que se mostrou eficiente e econômico.
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HAYKIN, S.; VEEN, B. V.; Signals and Systems. Editora John Wiley and Sons; 2ª Edição, 2003.
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TORRES, J. L. O. Proposta de plataforma de baixo custo para redes ad hoc: Estudo de comunicação por infravermelho. Trabalho de Conclusão de Curso. Sobral: Universidade Federal do Ceará, Curso de Engenharia Elétrica, Centro de Tecnologia. 2015.
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ROCHOL, J. Comunicação de Dados. Dados eletrônicos. Porto Alegre, Editora Bookman, 2012.
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BARKER, P.; BOUCOUVALAS, A.C.; VITSAS, V. Performance modelling of the IrDA infrared wireless communications protocol. In International Journal of Communication Systems. 2002.
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KAHN, J. M.; BARRY, J. R.. Wireless Infrared Communications. Springer US, 1994.
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HAYKIN, S.; MOHER, M. Sistemas de Comunicação. Editora Bookman; 5ª Edição, 2010.
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Vishay Telefunken, “Photo Modules for PCM Remote Control Systems,” TSOP17… datasheet, Dez. 1998.
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Ken Shirriff. “Infrared remote library for Arduino: send and receive infrared signals with multiple protocols”. [Online]. Available: http://z3t0.github.io/Arduino-IRremote/
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Aponto Design, “Clean não é Branco,” 2016. Disponível em: <http://apontodesign.com/blog/clean-nao-e-branco/>.Acesso em 20 de Abril de 2016.
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Arduino, “Language Reference”. [Online]. Available: https://www.arduino.cc/en/Reference/HomePage