SISTEMA MICROCONTROLADO DE AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL

Alisson de Oliveira

alisson_dinho@hotmail.com

Leandro Fontes Cruz

leandrofcruz@hotmail.com

Ricardo Alexandre Caldeirão

racaldeirao@hotmail.com

Faculdade de Tecnologia do Estado de São Paulo(FATEC)

Rua Maranhão, 898 - Centro - Cep: 15800-020 - Catanduva - SP

RESUMO

A automação residencial (domótica) vem sendo empregada cada vez mais nos lares

e residências do mundo todo, deixando de ser uma realidade futurística e passando a ser

algo compensador e totalmente útil. Esta tecnologia possibilita trazer melhorias a um

determinado ambiente, proporcionando tomadas de decisões automáticas ou

simplificadas , diante de uma determinada condição ou característica do meio em que se

encontra, possibilitando ser centralizado em único sistema de controle.

Este projeto tem por objetivo integrar os acionamentos de uma residência a uma

rede Ethernet, permitindo que o usuário através de uma Home Page faça os

acionamentos e verifique o estado dos equipamentos ligados, bem como, integrar ao

sistema a automatização da iluminação externa, alarme e controle de temperatura.

Para simulação foi desenvolvido um protótipo onde através de uma maquete

realizamos a instalação do circuito de controle, o qual foi possível verificar a eficácia do

trabalho e o atendimento aos objetivos propostos.

ABSTRACT

Palavras-Chaves (Keywords): Domótica, Sistema Microcontrolado, Automação

Residencial

1 - INTRODUÇÃO

A automação residencial visa maximizar a capacitação e melhoria do estilo de vida

das pessoas, criando um misto de conforto, segurança, eficiência, economia e

valorização do imóvel. Para isso ela integra os sistemas principais de uma residência:

comunicação, iluminação, segurança, entretenimento, climatização entre outros, usando

para isso um sistema inteligente, programável e supervisionado. Segundo estudos feitos

pela AURESIDE (Associação Brasileira de Automação Residencial), a automação

residencial no Brasil vem em uma crescente de 30% ao ano.

Diante das características e da complexibilidade do controle que vai ser utilizado em

determinada residência, a automação residencial subdividi-se em três grupos:

a) Sistema autônomo (stand alone): A automação é feita parcialmente e de forma

descentralizada (dispositivo ou subsistema não tem relação um com o outro). Ele

tem a função apenas de ativar ou desativar um dispositivo eletrônico ou subsistema,

através de elementos transmissores e receptores.

b) Sistema integrado com controle centralizado: Ao contrário do sistema autônomo o

controle é inteligente e as tomadas de decisões são ativadas e baseadas por eventos

ou condições pré-estabelecidas, integrando diferentes subsistemas a um único

controlador. A limitação deste sistema é a dificuldade em unificar a forma de

comunicação entre dispositivos de fabricantes diferentes.

c) Sistema de automação complexo: Neste tipo de automação obtêm-se a integração

total dos sistemas domésticos, sendo necessário para isso um cabeamento

estruturado e um projeto residencial que suporte este tipo de automação.

Com a automação residencial necessária para cada tipo de aplicação é possível

automatizar os mais diferentes sistemas de uma residência:

a) Telefonia e transmissão de dados;

b) Sistema de aquecimento e refrigeração (ar-condicionado);

c) Controle de luminosidade;

d) Home theater e som ambiente;

e) Cortinas e portas automáticas;

f) Segurança (alarmes, circuito interno de TV, etc.);

g) Acesso de sistemas através de digital (biometria);

h) Monitoramento de elevadores;

i) Sistemas de irrigação;

j) Entre outros;

Percebe-se assim que, na Automação Residencial, o sistema é constituído de etapas

que estão relacionadas com a aquisição e a manipulação destes dados, de forma a

realizar a transmissão de tais dados, resultando em tomadas de decisões que estão de

acordo com a necessidade e desenvolvimento do projeto.

"A transmissão consiste, basicamente, em se fazer chegar uma informação a um ponto distante

do local em que foi gerada" (ROKENBACH, 1979, p. 4).

2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

MICROCONTROLADOR PIC 18F87J60

Tipicamente um Microcontrolador se caracteriza por incorporar no mesmo

encapsulamento um microprocessador, memória de programa e dados e vários

periféricos como temporizadores, watchdog timer, comunicação serial, conversores

Analógicos/Digital, geradores de PWM, etc., fazendo com que o hardware final fique

extremamente complexo.

A microchip é uma empresa percussora no uso de tecnologia RISC (Reducet

Instruction Set Computer) em Microcontroladores. A estrutura RISC é baseada em

barramentos independentes para dados e para programa, e tem como característica

fundamental os tamanhos diferenciados o que significa que uma instrução esta

“empacotada” em uma única palavra de programa, que além de conter opcode

(instrução) contém os operandos (dados para execução da instrução). Este conceito

permite ter um conjunto de instruções simples, mas extremamente poderoso que

enfatiza as operações bite, byte e de registradores.

O microcontrolador PIC 18F87J60 que será utilizado neste projeto, possue clock

de 25MHz, 128K de memória Flash, MAC integrado e PHY 10Base-T, 3808 bytes de

memória RAM e 55 portas de I/O programáveis.

Ele usa um tipo de arquitetura chamada de Pepiline, configuração que permite a

execução das tarefas diferentes paralelamente, ou seja, enquanto uma instrução esta

sendo executado, o processador esta buscando na memória a instrução seguinte, com

isto se ganha velocidade de processamento.

PROTOCOLO TCP/IP

O protocolo é um conjunto de regras que caracterizam o formato, a

sincronização, a sequência e, ainda, a detecção de erros e falhas na comutação de

pacotes de dados, isto é, na transmissão de informação entre dispositivos.

Assim, dois ou mais dispositivos, para comunicarem numa rede, têm de falar a

mesma linguagem, ou seja, usar o mesmo protocolo.

Para existir comunicação é necessário existir pelo menos um canal, um emissor e

um receptor e garantir que ambos tenham a faculdade de utilizar um protocolo comum.

Os protocolos TCP (Transmission Control Protocol) e IP (Internet Protocol)

foram criados com o objetivo de fazer a comunicação entre computadores. Eles são

responsáveis por controlar a maneira que a informação é transmitida de uma rede a

outra, e como manipular o endereçamento contido nos pacotes, a fragmentação dos

dados e a checagem de erros.

O TCP é o protocolo da camada de transporte orientado à conexão, que tem por

objetivo oferecer uma conexão estável e confiável. Pode estar contido como parte da

pilha TCP/IP da arquitetura Internet, mas possue a flexibilidade de ser adaptado para ser

utilizado em outros sistemas.

O IP é um protocolo para comunicação de redes Internet. Ele é o responsável pela

transmissão de nível inferior (host-to-host), e é utilizado em dois tipos de estações:

hosts e gateways.

Segundo Miranda¹1 o protocolo TCP/IP é composta por quatro camadas, cujas

funções principais são:

CAMADA DE APLICAÇÃO - Os protocolos de mais alto nível incluem os

detalhes das camadas de Aplicação, Apresentação e de Sessão do modelo OSI. Esta

camada fornece serviços e utilitários que permitem que os aplicativos acessem os

recursos de rede. O TCP/IP combina todas as camadas OSI 5, 6 e 7 na camada de

aplicação. Qualquer usuário pode criar suas aplicações, pois TCP/IP é uma arquitetura

aberta. HTTP, SMTP, POP3, SNMP, DHCP e DNS são alguns exemplos de aplicações.

1 Wilson Miranda Júnior, artigo publicado no site http://www.ipv6.br/IPV6/ArtigoNovaGeracaoComunicacaoParte02 e acessado em 13/07/2011.

CAMADA DE TRANSPORTE - Fornece serviços de entrega de dados ponto a

ponto. Essa camada é responsável por garantir a integridade das mensagens enviadas

pela camada de aplicação. Segundo Comer (1998), para que se forneça um transporte

confiável, e seja assegurado que os dados cheguem sem erros e em sequência, o

protocolo de transporte faz com que sejam enviadas informações do lado receptor e

retransmissao de pacotes perdidos, por parte do transmissor. Similar à manipulação de

frames pela camada de rede, esta camada agrega pequenas mensagens em um único

pacote, e quebra mensagens grandes em vários pacotes, visando otimizar a performance

na rede. São dois os protocolos dessa camada: o TCP (Transmission Control

Protocol), que é orientado a conexão e garante a entrega dos dados, na ordem correta; e

UDP (User Datagram Protocol), que opera no modo sem conexão e fornece um

serviço datagrama nao-confiavel.

CAMADA DE REDE - Nessa camada reside o protocolo IP. Essa camada é

responsável pelas tarefas de endereçamento de mensagens, conversão de endereços e

nomes lógicos em físicos, determinação do caminho entre o computador origem e

destino baseados nas condições da rede, prioridade do serviço, administração de

problemas de tráfegos tais como roteamento e controle de número de pacotes na rede.

Essa camada agrega frames pequenos, e reestrutura frames grandes em frames

menores, antes de enviá- los à rede. No lado destino, este frames são restaurados para

sua estrutura.

CAMADA DE INTERFACE DE REDE - Consiste de rotinas de acesso à rede

física. A camada de Interface de Rede interage com o hardware, permitindo que as

demais camadas sejam independentes do hardware utilizado (COMER, 1998; SOARES

et al. 1995). Essa camada define como o cabo está conectado à placa de rede, como por

exemplo o tipo de conector e quais pinos serão utilizados. Ela também define qual

técnica de transmissão será utilizada para enviar os dados para o cabo da rede. Essa

camada corrresponde às camadas OSI 1 e 2.

LINGUAGEM AJAX

AJAX (Asynchronous Javascript and XML) foi criado com o objetivo de ser

uma maneira rápida e otimizada de podermos fazer requisições Web.

Sabe-se que todo o tipo de acesso a dados de um servidor de sites na internet,

roda encima de requisições Web (Requisições via protocolo HTTP ao servidor de

destino), e por resposta o servidor também com o mesmo protocolo retorna os dados

solicitados, tais como HTMLs.

Para tal necessidade utilizamos objetos Javascript, que rodam encima do browser

do usuário e transitam dados por estas requisições, assim sendo, podemos fazer

interações com processos de servidor, sem que seja necessário recarregar a página do

usuário, ou mesmo sem que ele visualize tal interação.O sistema se torna totalmente

flexível e a informação é visualizada praticamente em tempo real.

3 – METODOLOGIA

Para realização do trabalho optamos pela utilização do microcontrolador PIC

18F87J60, como este microcontrolador possui um encapsulamento TQFP, que dificulta

a montagem manual do protótipo, optamos por utilizar um Kit de desenvolvimento.

Pesquisando no mercado um Kit que atendesse as especificações chegamos ao

Kit XBEENET da Microgenios, esse Kit utiliza o microcontrolador 18F87J60 e possui

terminais que fornecem acesso a todas as portas do microcontrolador, requisito muito

importante para o desenvolvimento do trabalho.

Para construção do software do microcontrolador, a Microchip fornece em seu

site uma biblioteca completa direcionada a comunicação TCP/IP, essa biblioteca além

de fornecer as rotinas necessárias para implementação da comunicação com a rede,

também fornece exemplos de aplicações onde podemos configurá-los e adaptá-los para

as nossas necessidades e também fornece o software Microchip TCP/IP Configuration

Wizard.

O Microchip TCP/IP Configuration Wizard faz toda a parte de configuração da

comunicação TCP/IP, por exemplo, configura quais os recursos que utilizaremos para o

projeto (HTTP, SMTP, etc), quantas conexões simultâneas o servidor irá suportar,

Endereço MAC, IP padrão, etc.

Dentre os diversos exemplos disponibilizados na biblioteca da Microchip,

utilizamos como base o TCPIP Demo App-C18, onde com o Microchip TCP/IP

Configuration Wizard realizamos as configurações necessárias.

Com o software Microchip TCP/IP Configuration Wizard fazemos a

configuração dos seguintes recursos:

Selecionamos os Protocolos de Aplicação que serão utilizados;

Selecionamos os Módulos adicionais requeridos na aplicação;

Damos o nome ao Host;

Configuramos os endereços MAC, IP, Gateway, Máscara de Subrede, DNS

Primário e Secundário;

Escolhemos a versão do Servidor Web;

Definimos a home Page padrão do servidor e o número de conexões

simultâneas;

Escolhemos a versão do sistema MPFS de arquivamento;

Definimos o local de gravação do arquivo binário que contém a imagem da

Home Page, se vai ficar na memória interna ou externa.

Após a execução do programa Microchip TCP/IP Configuration Wizard as

configurações são transportadas para o arquivo TCPIPConfig.h, este arquivo é que

contém todos parâmetros de configuração necessários para o funcionamento da Pilha

TCP/IP.

Terminado a configuração da Pilha TCP/IP passamos para a configuração do

Hardware, na biblioteca da Microchip a configuração é feita através do arquivo

HardwareProfile.h, nesse arquivo é que realizamos toda a configuração da pinagem do

microcontrolador, definimos quais são as entradas e saídas, bem como, configuração de

Clock e periféricos.

Terminado toda a configuração da Pilha TCP/IP incluindo a definição do

Hardware, o sistema está pronto para receber a página Web do servidor.

Para criação do Home Page foi utilizado o software Adobe Dreanwaver CS3,

este software foi escolhido divido a facilidade em manipular os elementos gráficos do

site e acessar o código HTML. A imagem abaixo contém o ambiente de

desenvolvimento do site:

No desenvolvimento do site a Microchip disponibiliza em sua biblioteca o

arquivo micro.js, este arquivo contém as funções escritas em Java Script, este arquivo

deve ficar dentro da pasta do site e deve ser referenciado no cabeçalho das páginas Web

que enviarão comandos e receberão informações do servidor.

Dessa maneira conseguimos fazer a atualização das variáveis de forma dinâmica

e encaminhar requisições ao servidor utilizando os Métodos HTML GET e POST.

Para recebermos os valores das variáveis pelo servidor é utilizado o arquivo

status.xml, que por meio da função updateStatus(xmlData) definida no cabeçalho da

Home Page é utilizado como interface de atualização, as variáveis são atualizadas

conforme período definido, no caso foi definico a cada 500 ms.

Arquivo status.xml

Para encaminhamento dos comandos ao servidor foi utilizado a função

newAJAXComand, esta função envia ao servidor o comando desejado utilizando os

arquivos com extensão .cgi, abaixo segue a imagem contendo o detalhe do código:

Após a confecção da página Web, definindo todas as variáveis que serão

atualizadas no arquivo XML e na própria Home Page, temos que converter o arquivo

para o sistema MPFS, essa conversão transforma a pasta da página Web em um único

arquivo binário que é gravado na memória interna ou externa do microcontrolador,

conforme definido, no caso estamos utilizando uma memória E2PROM de 512 Kbits,

conectada ao microcontrolador através da conexão SPI.

Para realizar a conversão da Home Page para o sistema MPFS, a Microchip

também disponibiliza em sua biblioteca o aplicativo Microchip MPFS2 Generator,

onde você informa o caminho da pasta que contem a sua Home Page e ele realiza a

conversão e faz a gravação na memória E2PROM do arquivo binário. Este

procedimento de atualização da Home Page é feito através da comunicação TCP/IP, ou

seja, a atualização da página pode ser feita de maneira remota.

Ao utilizar o aplicativo Microchip MPFS2 Generator além da conversão da

Home Páge para um arquivo binário o software também atualiza o arquivo HTTPPint.h,

definindo automaticamente as funções de respostas as variáveis dando um

endereçamento para cada função que corresponderá as requisições que serão feitas pelo

site ao servidor Web.

Estas funções são tratadas através do arquivo CustomHTTPApp.c, onde é feito

todo o tratamento da requisição feita ao servidor, ou seja, retorna o estado de uma

determinada variáveis, e efetua os acionamento solicitados.

Quanto ao arquivo principal, na biblioteca disponibilizada pela Microchip é o

arquivo MainDemo.C, este arquivo já vem todo estruturado contendo todas as funções

necessárias para inicialização da pilha TCP/IP e da rotina de comunicação, a

intervenção neste arquivo foi na função InitializeBoard( ), onde é definido na mesma a

inicialização do Hardware.

Passados as etapas de configuração e construção do sistema passamos para a

implementação do protótipo, para isso realizamos a construção de uma maquete para

representar o ambiente residencial, onde fizemos a implementação de controle e

acionamento de iluminação, temperatura, portão e alarme.

Para interação do microcontrolador com a maquete realizamos a construção de

uma placa com relês para o acionamento de cargas e conexão do sensor de temperatura

e luminosidade.

Foto da placa desenvolvida para o acionamento das cargas.

4 - CONCLUSÕES

Com a aplicação do sistema no protótipo verificamos a eficácia do sistema ao

qual com os testes realizados responderam a todos os comandos previstos bem como

demonstrou total interação com o Site responsável pelos acionamentos remotos e

monitoramento do estado dos equipamentos.

Portanto concluímos que o trabalho cumpriu os requisitos propostos.

5 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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http://www.ipv6.br/IPV6/ArtigoNovaGeracaoComunicacaoParte02> Acessado em

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