Projeto de Automação Residencial Utilizando Arduino

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ACRE - UFAC CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS - CCET CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

ABIMAEL SIMEI ERLANDE SANTOS RONDINELLY SHALOM

PROJETO DE AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL UTILIZANDO PLATAFORMA ARDUINO

RIO BRANCO - AC SETEMBRO DE 2014

ABIMAEL SIMEI ERLANDE SANTOS RONDINELLY SHALOM

PROJETO DE AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL UTILIZANDO PLATAFORMA ARDUINO

Projeto a ser apresentado no Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Acre - UFAC, na disciplina de Microprocessadores II e Controle Linear I, como parte da avaliação do que foi aprendido durante as aulas ministradas. Doscente: Prof.(a). Dra Ana Beatriz.

RIO BRANCO - AC SETEMBRO DE 2014 5

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO .......................................................................................................................... 7 MAQUETE................................................................................................................................. 8 ARDUINO ................................................................................................................................ 11 LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO................................................................................................................. 11

MÓDULO ETHERNET SHIELD ............................................................................................ 12 INTERFACE GRÁFICA....................................................................................................................................... 13

PROGRAMAÇÃO DO ARDUINO ......................................................................................... 16 IMPLEMENTAÇÃO FINAL DO PROJETO .......................................................................... 20 SENSORES .............................................................................................................................. 20 Sensor de temperatura ................................................................................................................................... 20 Sensor de luminosidade ................................................................................................................................. 21 Sensor ultrassônico de presença .................................................................................................................... 22 Display LCD 16x2 Azul ................................................................................................................................ 23 Imagens do projeto finalizado ....................................................................................................................... 23

CONCLUSÃO .......................................................................................................................... 25 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 26

6

INTRODUÇÃO Neste relatório teremos uma análise final do projeto de automação residencial na plataforma arduino, com breves análises dos softwares utilizados no processo de construção do protótipo, bem como dos estágios de construção e implementação do referido projeto. Motivamos-nos a compreendê-lo e construí-lo, por se tratar de algo tendencioso no mercado imobiliário, mas também por ser um projeto interessante e de baixo custo (se comparado ao custo dos módulos controláveis, vendidos por empresas especializadas). Inicialmente, faremos comentários sobre a maquete construída, material utilizado e etc., posteriormente, iremos fazer uma análise teórica e prática dos componentes lógico-programáveis do projeto; neste estágio, fizemos a inserção de imagens dos processos de construção e implementação do projeto, bem, como da programação do arduino, e dos softwares necessário para o mesmo. Ao final do relatório teremos imagens atualizadas do projeto desenvolvido pelo grupo.

7

MAQUETE O projeto consiste, principalmente, em implementar um controle automático de variáveis através de um microprocessador. Porém, a efeito visual, precisávamos de uma estrutura física para a apresentação do projeto. Dada esta necessidades, precisamos de uma estrutura física que simule uma casa. Felizmente, apesar de muitas dificuldades encontradas, desde a decisão de que material usar até a habilidade manual de construir tal estrutura, decidimos por fim em construir uma maquete que simule a referida residência, sendo esta casa construída em madeira, mais conhecida como “compensado”, que possui características de pouca absorção de humidade, material bem plano e consistente, não possuindo “nós”, termo designado para descrever a oscilação do plano da madeira. Algumas imagens serão mostradas a seguir com o protótipo estrutural da casa.

Figura 1

8

Figura 2

Figura 3 9

Figura 4

10

ARDUINO O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de código aberto, na qual o usuário pode personalizar o hardware e criar aplicativos específicos para rodar em um circuito eletrônico. Em outras palavras, podemos conectar dispositivos, sensores, tudo através de uma conexão USB, que podemos apenas conectar ao computador, instalar um driver e desenvolver programas. Há também outro modo de alimentação, podendo ser alimentado com uma bateria pequena, de 9V. A plataforma é toda configurada através de pinos, que se dividem em pinos analógicos, digitais, alimentação, reset e ground. Uma ilustração dos pinos pode ser vista no diagrama a seguir:

Figura 5

LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO A linguagem do arduino é uma linguagem própria, que é uma linguagem bem similar ao ANSI C. O controle deste microcontrolador é feito através da programação. Além disso, o mesmo possui a característica de ser uma máquina de estado, que armazena o último dado que foi ordenado, caso seja retirada a sua alimentação. Em termos da teoria de circuitos digitais, podemos dizer que os registradores que compõem os CI’s do arduino, são registradores não voláteis. Detalhando um pouco mais sobre a linguagem de arduino temos: Comentários: São usados para descrever o que está sendo programado. Eles são escritos começando por duas barras e tudo que está após as barras será completamente ignorado. Podem ser também representado por barra e asterisco, e tudo que estiver neste intervalo, será ignorado pelo compilador. Linhas de código: Sempre terminam por ponto e vírgula “ ; “ Se esse código for por acaso esquecido, a linha escrita não funcionará. Parâmetros: Estão sempre entre parênteses, e são separados por vírgula, caso exista mais de um parâmetro. 11

Blocos de código: Estão sempre separados entre chaves. Outra característica de linguagem é sensibilidade a caixa, ou seja, os comandos das letras maiúsculas diferenciam-se das minúsculas. Void Setup: Esta função, basicamente, designa configuração e o prefixo, void, designa que essa função não retorna nenhuma outra e não envia feed backs, ou seja, executa a função apenas uma vez. Após ela, nada mais será executado. Elas são escritas entre chaves, e neste espaço, precisa ter alguma instrução, ou caso contrário, o compilador não atua. Void loop: Está função tem como característica, uma repetição infinita da função que foi escrita. Essa característica é chamada de loop. A partir de configurações como esta, é possível controlar todas as entradas e saídas da placa.

MÓDULO ETHERNET SHIELD O módulo Ethernet Shield (“Shield” vem do inglês, quer dizer “escudo”) é um componente vital neste projeto, pois permite a conexão do arduino à internet, sendo o módulo responsável por interpretar e codificar o fluxo bidirecional de informações e de caracterizar este projeto como inovador, afinal, trata-se de comandar uma residência pela internet. Como vimos anteriormente, em nosso projeto, optamos pelo módulo ethernet shield do arduino, pois ele trabalha com o chip Wiznet W5100, o que permite que nos utilizemos das bibliotecas do arduino sem problemas de “interpretação” de comandos e disparidade nas instruções.

Figura 6

12

Figura 71 ____________________________________________ 1 Módulo relé e Ethernet Shield conectados ao arduino.

INTERFACE GRÁFICA A interface gráfica será feita por meio de um programa chamado “TouchOSC”, este referido programa permite uma sincronização com o PC e o celular, android ou iOS, e é o responsável pelo design e a interface da web com o arduino. Para que a interface seja eficiente, precisamos declarar o IP do nosso computador e sincronizar os dados do pc com o celular que contenha o referido programa. Feito isto, precisamos programar o arduino de modo que “entenda” quando um comando for executado pelo celular, onde o status dos dispositivos é atualizado paralelamente à sua utilização, sendo que a funcionalidade do sistema reside na possibilidade de se controlar os dispositivos da residência pelo celular ou fisicamente. O software TouchOSC, possui um sistema de mensagens exclusivas denominado Sysex, este sistema permite que mensagens sejam estruturadas especificamente com base nos aparelhos que receberão as referidas mensagens. Isto permite que a estrutura de mensagens possua qualquer tipo de dado, por exemplo, um dispositivo que tenha uma especificação de mensagens sysex, pode conter caracteres ASCII. O celular utilizado para tal interface, foi um iPhone de sistema operacional iOs, as imagens a seguir, são “prints” do referido iPhone:

13

Figura 8

Figura 9

Figura 10

Figura 11

14

As fotos a seguir são obtidas do computador por nós utilizado para configurarmos a interface entre o celular e o módulo Ethernet Shield. Esta configuração e design no celular, é possível por meio da sincronização do celular com o computador através do software TouchOSC.

Figura 12

Figura 13 15

Figura 14

PROGRAMAÇÃO DO ARDUINO A programação do arduino para o nosso projeto é a retratada, “em partes”, nas seguintes figuras:

Figura 15 16

Figura 16

Figura 17

17

Figura 18

Figura 19

18

Figura 20

Figura 21

19

IMPLEMENTAÇÃO FINAL DO PROJETO Nesta etapa conclusiva do projeto, observaremos a implementação final do sistema automatizado e acessível. O diferencial técnico do projeto inicial e final, reside na ideia da confecção de um sistema automático e acessível ao usuário, ou seja, um sistema que controle as variáveis amostradas e possibilite ao usuário o acesso à essas variáveis e o controle paralelo destas.

SENSORES A automatização do nosso “sistema de residência” será possível por meio da implementação de sensores que trabalharão paralelamente ao sistema de interface gráfica. Eles serão os responsáveis pela amostragem de certas grandezas do ambiente e as disponibilizarão ao arduino, com o objetivo de serem feitas comparações que permitam o controle das referidas variáveis do sistema. A Figura 22, nos mostra o diagrama esquemático de blocos da lógica do sistema. Observe que o diagrama evidencia, por meio de setas, a dinâmica do processo. Diante do exposto, podemos compreender que, basicamente, os sensores retiram amostras de variáveis específicas do ambiente, envia os dados ao arduino, que executa uma operação de comparação com parâmetros delimitados pelo programador e, com base na referida comparação, o arduino envia comandos aos atuadores.1

Figura 22

Sensor de temperatura O sensor para medir temperatura utilizado neste projeto é o sensor de umidade e temperatura Dht11. Este sensor é de saída digital, ele utiliza um termistor NTC para a leitura da temperatura ambiente. ]Basicamente, existem dois tipos de termistores: o NTC e o PTC. Os termistores do tipo NTC e PTC diferenciam-se pelo material empregado em sua construção. O termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) é amplamente usado, sendo que sua curva de resistência em função da temperatura não é linear, mesmo que levemente alterada, resultando disso a necessidade da utilização de circuitos combinados com o intuito de linearizar a curva de resistência de tal elemento. O termistor PTC (Positive Temperature Coefficient), por sua vez, tem uma faixa de variação mais tênue, onde pequenas variações na temperatura resultam em efeitos potencializados na variação da resistência do dispositivo. Após a obtenção dos dados das características do ambiente, o sensor se comunica com um microcontrolador, através de uma saída serial, isto permite uma gama de aplicações Em nosso projeto, o termo “atuadores” refere-se ao cooler, ao motor do portão da garagem, etc, componentes que com base em certas medições, executam uma ação sobre o sistema da residência. 1

20

práticas para este sensor. Em nosso projeto, sua aplicação está diretamente relacionada à utilização do cooler, tendo em vista que, ao se atingir certo valor de temperatura ambiente, delimitada pelo usuário e registrada pelo referido sensor, o cooler irá atuar. Observe a figura abaixo:

Figura 23

A imagem abaixo retrata o sensor que será utilizado em nosso projeto:

Imagem 24

Sensor de luminosidade Uma outra variável a ser implementada na maquete, é o acionamento da iluminação externa da casa, ao pôr do sol. Em outras palavras, na ausência de luminosidade solar, teremos o acionamento das luzes externas, fornecendo assim, comodidade e segurança aos moradores. O funcionamento desta variável provém de sensores de luminosidade, que são chamados comumente de sensores LDR. A sigla significa, light dependent resistor, ou seja, resistor dependente de luz, ou sensor de luminosidade. O funcionamento do mesmo é baseado em captação de luminosidade; conforme ele recebe luminosidade ou não, ele altera uma resistência ligada aos LED’s, convertendo assim a captação de luminosidade em um sinal elétrico. Quanto maior a luminosidade, maior a resistência oferecida as variáveis. Essa informação é enviada diretamente para o arduino, através de uma entrada digital; luminosidade ou não, será lida pelo arduino e por fim, a saída da placa controla as variáveis. Portanto, decidimos instalar o sensor de luminosidade diretamente ao arduino e após isso, ligamos a saída digital do arduino para a iluminação externa.

21

A imagem abaixo retrata o sensor de luminosidade que será utilizado em nosso projeto:

Imagem 25

Figura 26

Sensor ultrassônico de presença Este sensor, também presente em nosso projeto, é capaz de fazer medições de 2cm a 4m com uma precisão de cerca de 3mm. Em nosso projeto, sua aplicação será na amostragem para o controle do portão, ou seja, fechará o portão automaticamente caso o mesmo seja esquecido aberto, onde o sensor emitirá um sinal indicando presença ou não de objeto, ou pessoas, que eventualmente possam interferir no funcionamento correto do portão. Em uma situação real, por exemplo, evitaríamos acidentes com o portão, a quebra do mesmo ou do próprio objeto que porventura esteja no percurso do portão. O sensor ultrassônico que será utilizado em nosso projeto está representado na imagem abaixo:

Imagem 27 22

Display LCD 16x2 Azul O display utilizado em nosso projeto é o Display 16x2 Azul I2C. Sua utilidade em nosso projeto será na interface de visualização das condições do sistema, amostradas pelos sensores ou atuadores. Este sensor tem uma backlight azul com letras brancas, o que permite um contraste interessante para visualizarmos as informações no display. O display que será utilizado em nosso projeto é retratado na imagem abaixo:

Imagem 28

Imagens do projeto finalizado

Imagem 29 23

Imagem 30

Imagem 31

24

CONCLUSÃO Podemos, por meio deste, observar a necessidade de ambientes integrados e eficientes como o observado neste protótipo feito pelo grupo. Neste projeto, a necessidade de alterações ao longo da execução do mesmo, demonstra o empenho do grupo em maximizar a eficiência do sistema, onde a dificuldade imposta para a implementação deste, reside no fato de termos alterado significativas vezes a ideia da implementação inicial, tendo em vista que o projeto tomado pelo grupo como parâmetro inicial, não abordava os pontos necessários destinados à avaliação acadêmica, o que obviamente pôde ser contornado pelo nosso grupo e devidamente executado.

25

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Soares, Bruno Augusto Lobo. Aprendendo a linguagem PHP. Ciência Moderna, 2007. Engenheirando. Disponível em: www.engenheirando.com. Acessado em: 09/07/2014. TCC Engenharia Mecatrônica – Automação Residencial - EST / UEA. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=wcpnN_T1G24. Acessado em: 09/07/2014. Arduino. Disponível em: http://arduino.cc/. Acessado em: 10/07/2014. Riosoft agente softex. Disponível: http://riosoft.org.br/. Acessado em: 27/07/2014. Hexler.net. Disponível em: http://hexler.net/. Acessado em: 10/07/2014. FilipeFlop. Disponível em: http://www.filipeflop.com/. Acessado em: 03/08/2014. Robocore. Disponível em: www.robocore.net. Acessado em: 10/08/2014. Laboratório de Garagem. Disponível em: www.labdegaragem.org. Acessado em: 20/08/2014. Mecatrônica de Garagem. Disponível em: mecatronicadegaragem.blogspot.com.br. Acessado em: 22/08/2014. Normas da ABNT. Disponível em: http://www.leffa.pro.br/textos/abnt.htm#5.16. Acessado em: 13/09/2014.

26