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 INSTITUTO UNIFICADO DE ENSINO SUPERIOR OBJETIVO - IUESO CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO BRUNO DE CASTRO RODRIGUES SILVA LUCIANO ANTÔNIO ASSUNÇÃO CÂNDIDO SISTEMA DE CONTROLE RESIDENCIAL BASEADO NA PLATAFORMA ARDUINO GOIÂNIA   GO 2011

Sistema de Controle Residencial Baseado Na Plataforma Arduino

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Trabalho de conclusão de curso que aborda uma integração entre Arduino e Android afim de permitir o controle de elementros residenciais

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INSTITUTO UNIFICADO DE ENSINO SUPERIOR OBJETIVO - IUESO

CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

BRUNO DE CASTRO RODRIGUES SILVA

LUCIANO ANTÔNIO ASSUNÇÃO CÂNDIDO

SISTEMA DE CONTROLE RESIDENCIAL BASEADO NA

PLATAFORMA ARDUINO

GOIÂNIA – GO2011

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BRUNO DE CASTRO RODRIGUES SILVA

LUCIANO ANTÔNIO DE ASSUNÇÃO CÂNDIDO

SISTEMA DE CONTROLE RESIDENCIAL BASEADO NA

PLATAFORMA ARDUINO

Monografia apresentada como requisito parcial

para a conclusão do curso de graduação em

Ciência da Computação ao Instituto Unificado

de Ensino Superior Objetivo - IUESO.

Orientador: Prof. Dr. Antônio Marcos Medeiros

GOIÂNIA – GO2011

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SILVA, Bruno de Castro Rodrigues

CÂNDIDO, Luciano Antônio de Assunção

SISTEMA DE CONTROLE RESIDENCIAL BASEADO NA

PLATAFORMA ARDUINO

Goiânia, 2011. 48 p.

Monografia apresentada ao Instituto Unificado de Ensino Superior

Objetivo – IUESO, para conclusão do curso de graduação em

Ciência da Computação.

Orientador: Prof. Dr. Antônio Marcos Medeiros

1. Arduino 2. Android 3. Automação Residencial 4. Bluetooth

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BRUNO DE CASTRO RODRIGUES SILVA

LUCIANO ANTÔNIO DE ASSUNÇÃO E CÂNDIDO

SISTEMA DE CONTROLE RESIDENCIAL BASEADO NA PLATAFORMA

ARDUINO

Monografia apresentada ao Instituto Unificado de Ensino Superior Objetivo como

requisito parcial para a conclusão do curso de graduação em Ciência da

Computação.

Goiânia, 11 de novembro de 2011.

Nota: ____________  

 _____________________________________________________________ 

Prof. Dr. Antônio Marcos Medeiros

(Orientador)

 _____________________________________________________________ 

Prof. Dr. José Wilson Lima Nerys

(Examinador)

 _____________________________________________________________ 

Profª. Ms.ª Luciana Valéria Braga dos Santos Carvalho

(Examinador)

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AGRADECIMENTOS

Agradecemos ao professor Antônio Marcos, da Engenharia Elétrica, por se dispor a

nos ajudar, mesmo não sendo professor do nosso curso. Agradecemos também aos

professores Weysller e Wedson, da Ciência da Computação, e Fabrício, da

Engenharia Elétrica, pela ajuda no decorrer do trabalho.

Eu, Bruno, agradeço a Deus pelo conhecimento adquirido para a realização deste

trabalho. Agradeço também à minha mãe, Tânia, pela paciência e incentivo, à minha

família pela tolerância, ao amigo arquiteto Paulo Morgan pela ajuda na confecção da

maquete e a minha amiga e companheira Lorena pela ajuda no desenvolvimento

deste trabalho.

Eu, Luciano, agradeço à minha mãe por contribuir para minha formação, ao meu pai

pelos aconselhamentos e ao meu irmão que sempre me ajudou quando precisei.

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RESUMO

A área de Automação Residencial vem se expandindo no Brasil, trazendo tendênciasque antes eram vistas apenas em países europeus e nos Estados Unidos. Umadessas tendências é o controle unificado de sistemas residenciais, que visa unir oscontroles de todos os sistemas dentro da residência em apenas um aparelho. Estetrabalho apresenta uma solução de controle residencial centralizado em umsmartphone , capaz de controlar o sistema de iluminação e o sistema de segurançaem um único programa. Toda a estrutura física da solução é feita sobre a plataformaArduino™, projeto open-source hardware que permite a construção ágil de circuitos.Para controlar o sistema remotamente foi desenvolvida uma aplicação em umsmartphone   com sistema operacional Android™ que se comunica via Bluetooth ® 

com o sistema residencial.

Palavras-chave: Arduino – Android – Bluetooth – Automação Residencial

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ABSTRACT

The Home Automation area is expanding in Brazil, bringing trends that had beenseen only in European countries and the United States. One of the trends is theunified control of home systems, which aims put together the controls of the allresidence systems inside a device. This work presents a solution of residence controlcentralized on a smartphone, capable of controlling the lighting system and securitysystem in a singles program. All the physical structure of the solution is made on deArduino™ platform, an open-source hardware project that allows the construction ofquick circuits. For controlling the system remotely was developed an application on asmartphone with Android™ Operational System that communicates with residentialsystem by Bluetooth®.

Keywords: Arduino – Android – Bluetooth – Home Automation.

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ABREVIATURAS E SIGLAS

AR Automação Residencial;

ABESE Associação Brasileira das Empresas de Sistemas Eletrônicas

de Segurança;

AURESIDE Associação Brasileira de Automação Residencial;

EPROM Erasable Programmable Read-Only Memory;

EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory;

E/S Entrada e Saída;

HVAC Heating, Ventilating and Air Conditioning;

IDE Integrated Development Environment;

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers;

LAN Local Area Network;

LED Light Emitting Diode;

OSI Open System Interconnection;

PROM Programmable Read-Only Memory;

PWM Pulse-Width Modulation;RAM Random Access Memory;

ROM Read-Only Memory;

SMS Short Message Service;

USB Universal Serial Bus;

WLAN Wireless Local Area Network.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: Interruptor compatível com x-10 ................................................................. 21 Figura 2: Lâmpada compatível com x-10 .................................................................. 21 Figura 3: Crescimento do faturamento do mercado de Sistemas de Segurança

Eletrônica no Brasil ................................................................................................... 22 Figura 4: Arquitetura Genérica de um Microcontrolador ............................................ 24 Figura 5: Microcontrolador contém uma CPU como o microprocessador ................. 26 Figura 6: Elementos de um sistema de comunicação ............................................... 27 Figura 7: Topologias de Redes .................................................................................. 28 Figura 8: Logotipo atual do Arduino ........................................................................... 32 Figura 9: Arduino BT ................................................................................................. 34 Figura 10: Interface do IDE Arduino versão 00.22 ..................................................... 36 Figura 11: Receptor e emissor de infravermelho ....................................................... 40 Figura 12: Planta da casa apresentada na tela de interação com o usuário ............. 42 

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Comparativo de gasto com e sem automação ........................................... 19 Tabela 2: Tipos de rede ............................................................................................. 29 Tabela 3: Potência e alcance das classes de Bluetooth ............................................ 30 Tabela 4: Constantes utilizadas no sistema .............................................................. 39 

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 12 2 AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL............................................................................... 14 2.1 Conceito e História............................................................................................ 14 2.2 Domótica ............................................................................................................ 16 2.3 Eletrônica e Computação ................................................................................. 16 2.3.1 Formas de Controle .......................................................................................... 16 2.4 Controle Residencial......................................................................................... 17 2.4.1 Visão Geral ....................................................................................................... 17 2.4.2 Consumo de Energia ........................................................................................ 18 2.4.3 Climatização ..................................................................................................... 19 2.4.4 Iluminação ........................................................................................................ 20 2.4.5 Sistemas de Segurança ................................................................................... 21 3 SOLUÇÃO PROPOSTA......................................................................................... 24 3.1 Sistemas Microcontrolados.............................................................................. 24 3.1.1 Microcontroladores ........................................................................................... 24 3.1.2 Diferença entre Microcontrolador e Microprocessador ..................................... 25 3.2 Sistemas de comunicação................................................................................ 27 3.2.1 Definição .......................................................................................................... 27 3.2.2 Redes Locais .................................................................................................... 28 3.2.3 Redes Sem Fio ................................................................................................. 29 3.2.4 Bluetooth .......................................................................................................... 30 3.3 Plataforma Arduino ........................................................................................... 32 3.3.1 A Placa Arduino ................................................................................................ 33 3.3.2 IDE Arduino ...................................................................................................... 35 3.3.3 Computação Física .......................................................................................... 36 3.4 Android............................................................................................................... 37 3.5 Detalhamento da Solução................................................................................. 37 3.5.1 Aplicação para testes ....................................................................................... 38 3.5.2 Lado Arduino .................................................................................................... 39 3.5.2.1 Sistema de Iluminação .................................................................................. 39 

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3.5.2.2 Sistema de Segurança .................................................................................. 40 3.5.2.3 Integração dos Sistemas ............................................................................... 41 3.5.3 Lado Android .................................................................................................... 41 4 ANÁLISE DOS RESULTADOS .............................................................................. 43 5 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 45 6 REFERÊNCIAS...................................................................................................... 46 APÊNDICES ............................................................................................................. 48 APÊNDICE A – Esquemático do Arduino BT......................................................... 48 

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1 INTRODUÇÃO

A automação residencial sempre foi vista pela sociedade como algo

futurista, disponível apenas para poucas pessoas que tinham condições financeiras

melhores para cobrir os seus altos custos. Porém, esta realidade esta mudando aos

poucos. Muitas casas e apartamentos, hoje, já vêm equipados com alguns recursos

de automação residencial como controle de segurança, iluminação, entretenimento,

entre outros. Também é possível encontrar alguns desses dispositivos disponíveis

para compras por preços mais baixo do que eram praticados antigamente.

Os produtos estão com preços mais acessíveis, porém ainda existem

serviços que continuam caros. O que muitas vezes custa muito é a integração entre

os diferentes sistemas residenciais. Por exemplo: um sistema de controle de

acessos pode ser integrado com o Home Theater , que faz parte do sistema de

entretenimento, dependendo da pessoa que estiver acessando a sala de estar no

momento é tocada uma música de acordo com o gosto que o ele definiu no sistema.

Hoje existem poucos profissionais que atuam nesse campo. No Brasil já existem

algumas empresas que oferecem cursos de formação para profissionais quedesejam se engajar nesta área.

Assim como em outras áreas da tecnologia, a automação residencial no

Brasil ainda está atrasada se comparada a países como Estados Unidos e os

europeus. Ainda é um desafio, no Brasil, realizar a integração e centralização dos

sistemas residenciais. Com o advento dos “celulares inteligentes” (smartphones )

também surgiu outro desafio, expandir o controle dos sistemas residenciais para fora

da residência e permitir o acesso do usuário de onde ele estiver. Os smartphones  são capazes de realizar inúmeras tarefas, podendo até substituir o computador em

muitas atividades, o que os tornam hábeis a portar aplicativos mais robustos para

controlar e/ou monitorar remotamente os sistemas internos da residência.

Focado nesta necessidade, este trabalho visa desenvolver uma solução

em automação residencial que tenha uma interface de controle disponível em um

smartphone . O resultado final deste trabalho é um protótipo de um sistema

residencial controlado remotamente por um smartphone , possibilitando o controle dailuminação residencial e o sistema de segurança. O sistema de segurança e o

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sistema de iluminação são integrados. O sistema é desenvolvido sobre a placa de

circuito Arduino™, um projeto de open-source hardware  que facilita o

desenvolvimento de aplicações físicas oferecendo funções de leitura e manipulação

de elementos físicos. O smartphone comunica diretamente com a placa utilizando a

tecnologia Bluetooth, sem a necessidade de um computador e/ou roteador como

intermediador. Para realizar esta conexão foi utilizada uma placa Arduino BT, um

modelo de Arduino™ que contém um modem Bluetooth ®  embutido, facilitando este

tipo de comunicação. A aplicação no smartphone para comunicar com a placa foi

desenvolvida sobre a plataforma Android™, sistema operacional para celulares

desenvolvido pelo Google ® .

Este trabalho envolve diferentes elementos como Circuitos Integrados,Sistemas Embarcados, desenvolvimento em baixo nível e comunicação de

dispositivos por rede sem fio. Todos estes elementos são englobados na Ciência da

Computação, fazendo com que ela seja uma ciência completa, indo além do

desenvolvimento de software em alto nível.

Os capítulos seguintes mostram um pouco do conceito e aplicação da

automação residencial, fazendo uma abordagem superficial aos seus elementos

básicos. Depois é feita uma visão geral sobre a plataforma Arduino™, suascaracterísticas e fundamentos, e mostrando também as redes de comunicação

possíveis e sistemas operacionais para dispositivos móveis. Por fim vem o

desenvolvimento da aplicação, detalhando a parte eletrônica e a parte

computacional do projeto.

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2 AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL

2.1 Conceito e História

A automação residencial (AR) visa diminuir o esforço humano dentro da

residência com mecanismos que trabalham para executar tarefas em casa. Qualquer

mecanismo que trabalhe para realizar alguma tarefa dentro de uma casa pode ser

classificado como automação residencial, desde tarefas simples, como um porteiro

eletrônico, até tarefas mais complexas, como controle do sistema de segurança da

residência. Porém a implementação de sistemas mais sofisticados de automação

residencial fica limitada pelo fator econômico.

Apesar de existir mecanismos de automação residencial acessíveis e com

baixos custos, o que muitas vezes sai caro, e que é classificado como um sistema

sofisticado, é a integração desses mecanismos. Um sistema que seja capaz de

integrar todos os mecanismos dentro da residência, ou uma parte deles, geralmente

é um sistema complexo que se não for bem planejado pode sair acima do custo

necessário. Quando não há uma adequação da tecnologia utilizada e do problema aser resolvido, o sistema pode sair mais caro do que o normal, gerando desperdício

de recursos. Para evitar esse desperdício, é necessário fazer um projeto de todo o

sistema, detalhando as suas funcionalidades e os seus objetivos, e então definir qual

ferramenta é mais apta para resolver o problema (BOLZANI, 2004a, p. 45).

Um fator que deve um pouco de preocupação é a forma que o sistema

deverá interagir com o usuário. Quando existe apenas um dispositivo o seu

manuseio é mais simples. Quando existem vários dispositivos separados omanuseio torna-se um incômodo para o usuário com tantos controles. Ao integrar os

dispositivos a interface de controle deve ser o mais simples possível e também

apresentar todas as funcionalidades disponíveis ao usuário.

Historicamente a Automação Residencial não possui um marco de início,

porém adota-se que em meados de 1970 começaram os primeiros esforços na

confecção de produtos para controle de eletrodomésticos (BOLZANI, 2004a). O X-10

foi pioneiro na domótica1

, desenvolvido pelo Pico Electronics  de Glenrothes na

1 Domótica é explicado no item 2.2

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Escócia em 1975, foi o primeiro protocolo de comunicação capaz de transmitir dados

entre produtos compatíveis com tal tecnologia através da linha elétrica, onde o

usuário controla à distância as funções limitadas de liga/desliga. Em pouco tempo

tornou-se muito vendido nos Estados Unidos para aplicações não integradas. Depois

de longos anos, em 1990 termina a patente da Pico Eletronics  e em seguida a

Electronic Industries Association  descreve um conjunto de normas para fixar uma

rede de desenvolvimento de comunicação de produtos domésticos, seu objetivo era

desenvolver um protocolo universal de baixo custo.

Logo após estas padronizações várias empresas interessadas em

desenvolver novos produtos para automação residencial surgiram no mercado.

Echelon Corporation , empresa norte-americana, criou o LonWorks , um protocolo decontrole residencial e predial, que hoje é o campeão de venda e atualmente recebeu

uma concessão para instalar leitores de energia inteligentes em toda Suécia e

Holanda.

No Brasil a história é ainda mais recente, somente em fevereiro de 2000

foi registrada a AURESIDE (Associação Brasileira de Automação Residencial), que

tem como missão divulgar conceitos a todos os envolvidos, difundir tecnologias,

homologar produtos e serviços, treinar e formar profissionais. Hoje há menos de 100empresas associadas, as quais a maioria está instalada nas capitais do Sudeste e

Sul, demonstrando que o mercado ainda é restrito e carente de investimento.

Por se tratar de um conceito recente, ainda não foi criado um padrão de

desenvolvimento ou um conjunto de protocolos para reger a implantação de AR. Isso

se torna um problema tanto para o desenvolvimento quanto para a manutenção dos

equipamentos dificultando, principalmente, a integração de sistemas prontos.

Entidades internacionais e até nacionais, como a AURESIDE, tentam elaborar umpadrão para fomentar a tecnologia de Automação Residencial. Enquanto esses

padrões não existem, cabe ao profissional utilizar equipamentos e programação

flexíveis para facilitar a manutenção e integração.

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2.2 Domótica

A palavra “Domótica” é uma junção da palavra em latim “Domus”  (que

significa “casa”) com palavra robótica. Grosso modo, a domótica é a implantação de

elementos da robótica dentro da residência a fim de realizar tarefas como controle

de dispositivos ou consumo.

Diferente dos outros tipos de automação, a AR tinha uma dificuldade para

se adaptar ao usuário, pois ele estava sempre interagindo com o sistema de

diferentes formas, o que não permitia um padrão lógico no funcionamento dos

equipamentos. Para suprir essa necessidade foi criada a domótica, que incorporoutodos os conceitos de Automação Residencial e se tornou uma ciência

multidisciplinar, agregando conceitos de outras ciências, como Arquitetura, Ciência

da Computação, Sociologia, Psicologia, entre outras, a fim de estudar e

compreender as necessidades dos usuários dentro uma casa (BOLZANI, 2007).

É comum as pessoas confundirem Automação Residencial com domótica,

visto que os dois possuem os mesmos preceitos. Alguns autores tratam a domótica

e a AR como a mesma coisa, outros já as tratam como ciências diferentes. O fato éque tanto AR quanto domótica existem com finalidade: facilitar a interação do

residente com os equipamentos dispostos dentro da sua residência, reduzindo ao

máximo o contato.

2.3 Eletrônica e Computação

2.3.1 Formas de Controle 

Devido ao crescimento de soluções para automação residencial, fez-se

necessário diferenciar as formas de controle. Hoje os fabricantes dividem sistemas

em centralizados e descentralizados. Esta forma de separação vem para contribuir

na elucidação, pois soluções distribuídas com processamento descentralizado

poderiam ter um controle centralizado em uma central de automação.

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Normalmente sistemas complexos compõe-se por um conjunto de

soluções descentralizadas, isto porque as várias ações que o sistema terá que

gerenciar tornará o projeto complicado em sua execução e programação. Por outro

lado, automação residencial centralizada é um conjunto de soluções conectadas a

uma central. “Na automação residencial as soluções mais complexas terão maior

desempenho sendo controladas em programadas de forma descentralizada e parece

ser uma tendência” (TERUEL, 2008, p. 29). 

2.4 Controle Residencial

2.4.1 Visão Geral 

Em uma residência automatizada é importante que exista um sistema de

controle sobre os equipamentos. Esse sistema de controle permite monitorar os

dispositivos conectados ajudando a reduzir os gastos e aumentando o conforto do

morador, mantendo-o informado sobre tudo o que está acontecendo sem que ele

esteja presente de frente ao equipamento. Podemos ter como um exemplo prático

deste controle um software que mostra todas as lâmpadas de uma casa, indicando

se estão acesas ou apagadas, permitindo ao morador acender ou apagar qualquer

lâmpada sem ir até ela.

Bolzani (2004a) afirma que em sistemas maiores, como um condomínio

inteligente, além do monitoramento de todo o sistema, também deve ser feito um

monitoramento dos subsistemas que compõem esse sistema, destinando a cada

uma estação de controle. Isso facilita a detecção e resolução de problemas. Bolzani(2004a) também cita 13 subsistemas (denominados também de sistemas domóticos)

que constituem as principais abordagens da automação residencial e juntos

fornecem um controle total da residência. Esses 13 sistemas, são amplamente

utilizados no continente europeu, América do Norte e no Japão, porém no Brasil

ainda não são utilizados em conjuntos, apenas alguns módulos separados. Esses

sistemas domóticos são:

1. Sistema de fluídos e detritos;2. Sistema de energia elétrica;

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3. Sistema de ventilação, aquecimento e ar-condicionado;

4. Sistema de redes de computadores;

5. Sistema de controle de iluminação;

6. Sistema de detecção e combate de incêndios;

7. Sistema de segurança patrimonial;

8. Sistema de controle e automação de acessos;

9. Sistema de detecção e controle mecânico;

10. Sistema de telefonia;

11. Sistema de áudio e vídeo;

12. Sistema de monitoramento e visualização;

13. Sistema de auditoria e otimização de processos.

2.4.2 Consumo de Energia 

Atualmente a energia elétrica é um recurso essencial para famílias,

comerciantes e indústrias. Entretanto a falta de uma regulamentação de projetos e

implantação de circuitos eletrônicos residências permite a montagem de todaestrutura por pessoas que não possuem conhecimento técnico suficiente, o que na

maioria dos casos resulta em transtornos e gasto.

Segundo a EPE (Empresa de Pesquisa Energética), as residências

consumiram 5,3% mais energia em relação aos três primeiros meses de 2010,

motivado pela à expansão e ao maior uso de eletrodomésticos nos domicílios, em

decorrência do aumento da renda e crédito facilitado a pessoas físicas. Entretanto, o

consumidor deve ficar atento na hora de comprar um aparelho eletrônico,pesquisando se o produto tem baixo consumo e integração de sistemas de

automação ou internet.

É importante em uma casa ou edifício que mantêm alguma automatização

possuir meios para a proteção de descargas elétricas e de reserva de energia, assim

evitando-se danos aos equipamentos de controle. Sistemas de segurança precisam

operar sem parar, então é interessante possuir um nobreak 2 para casos em que o

2 Nobreak é um dispositivo que oferece uma proteção extra ao seu equipamento. No caso da falta deenergia elétrica, o nobreak continua alimentando os equipamentos ligados a ele.

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fornecimento seja interrompido por um curto espaço de tempo, porém se a duração

for longa é recomendável o uso de um gerador à gasolina ou diesel.

Para quem possui vários aparelhos eletrônicos é fundamental preocupar-

se com as instalações elétricas, pois para automatizar uma residência é necessário

uso de circuitos integrados, que na maioria das vezes são muito sensíveis a

variações de tensão e a presença de ruídos na linha pode comprometer a

transmissão de dados, efetuada pelo gestor residencial.

Um dos problemas de uma casa é o custo da energia elétrica, o usuário

normalmente não tem um controle eficaz de quanto gastou durante um determinado

período. Com ajuda de hardwares e softwares para a automatização conseguimos

saber exatamente quanto já foi consumido. Fazendo um trabalho complementar ogestor consegue trabalhar para otimizar ao máximo o uso da luz solar sem

comprometer o ar-condicionamento e o conforto, trazendo economia na conta de

energia. Segundo o artigo da revista IP é possível economizar até 30% o consumo

total de energia, na tabela a seguir é demonstrado quanto o consumidor

economizaria em reais.

Aparelho

Eletronico/ 

Elétrico

Potência

(watts)

Uso/Diário

(horas)

Uso/Mensal

(Dias)

Tarifa

(Celg-D)

Consumo

Médio

Mensal

(Kwh)

Valor

gasto sem

Automa-

ção

Valor

aplicando

auto-

mação

Lâmpada FLC220V

15 6h 30 0.29353 2.7 $ 0.792 $ 0.554

Ar condicio-nado Slipt9.000 BTU/H

2637 3h 30 0.29353 7.911 $ 69.510 $ 48.657

DUCHAFLORENZA

7800 0.17h(10min)

30 0.29353 37.44 $ 10.970 $ 7.679

Tabela 1: Comparativo de gasto com e sem automação

2.4.3 Climatização 

Segundo o dicionário Aurélio (1999), climatização é o “Conjunto de

processos empregados para se obterem, por meio de aparelhos, em recinto

fechado, condições ambientais de temperatura, umidade, pressão, etc. [...]”. Neste

contexto a climatização é tida como um recurso de automação residencial, pois

utiliza de aparelhos para simular uma condição de ambiente. Porém, climatização

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está mais voltada para o contexto de domótica que para AR. Um sistema sofisticado

de climatização visa oferecer um ambiente agradável ao gosto do usuário, para isto

é necessário entender a necessidade e preferência do usuário e o clima ao seu

redor.

Hoje existem os Sistemas HVAC (Heating, Ventilating and Air 

Conditioning , ou Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado) que permitem

controlar e monitorar o clima do ambiente, a qualidade do ar, a troca de

temperaturas, entre outras funções. Os recursos dos Sistemas HVAC variam de

acordo com o modelo e o fabricante, partindo de sistemas simples, que aplicam

apenas alguns princípios de HVAC, até sistemas mais sofisticados, que aplicam

todos os recursos. Os Sistemas HVAC são muito utilizados em automação predial,mas já são encontrados adaptados para funcionar em residências.

2.4.4 Iluminação 

Com a automação residencial podemos controlar toda a iluminação da

residência, através de controles remoto, via SMS de celulares entre outros modos.Recentemente a Google® anunciou a “android@home ” que consiste em uma casa

inteligente controlada pelo sistema operacional Android™. Confortavelmente

mudamos a intensidade das lâmpadas obtendo um ambiente adequado para assistir

a um filme ou ler um livro, tudo isso apenas com um toque no smartphone ou tablet .

O controle da iluminação foi um dos primeiros itens de automatização de

uma casa. Os produtos fabricados com a tecnologia x-10 foram os precursores e

também os mais vendidos, durante vinte e cinco anos. Hoje encontramos estesprodutos sendo vendidos embutidos em sistemas mais complexos de gestão

residencial. Nas figuras 1 e 2 podemos observar que os produtos portadores da

tecnologia x-10, possuem uma interface amigável e de fácil instalação.

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Figura 1: Interruptor compatível com x-10

Figura 2: Lâmpada compatível com x-10

A economia de energia é obtida através de vários sensores que

verificarão o estado do ambiente e aplica a regulagem da iluminação necessária,

através de uma programação pré-configurada, conseguindo uma redução de

consumo de 30% a 50%, contribuindo assim, para um consumo mais inteligente.

2.4.5 Sistemas de Segurança 

Em um levantamento feito pela Associação Brasileira das Empresas deSistemas Eletrônicas de Segurança (ABESE) foi revelado que o mercado de

dispositivos de segurança teve um crescimento de 12% em 2010 em relação a 2009,

fechando o ano com um faturamento de US$1,680 bilhão. Nos últimos dez anos o

mercado cresceu em média 13% ao ano, segundo as pesquisas da ABESE. A figura

3 apresenta um gráfico baseado nos dados retirados da ABESE (2011) que esboça o

faturamento anual com sistemas de segurança eletrônica no intervalo de 2006 a

2010.

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Porém, aproximadamente 88% dos produtos levantados pela ABESE são

consumidos por clientes comerciais. Ainda assim o setor de segurança é o que mais

cresce dentro de automação residencial. Bolzani (2004a) afirma que dentre todos os

sistemas domóticos, os sistemas de segurança patrimonial são os mais procurados

pelos usuários.

Figura 3: Crescimento do faturamento do mercado de Sistemas de Segurança Eletrônica no Brasil

Os sistemas de segurança patrimonial utilizados na automação

residencial vão além dos sistemas utilizados por clientes comerciais. Bolzani (2004a

e 2004b) diz que um sistema de segurança patrimonial possui alguns pontos básicos

que devem ser cumpridos. Esses pontos são:

a) Prevenção ou dissuasão: o sistema deve inibir e promover a desistência do

invasor;b) Detecção e alarmes: o sistema deve comunicar com todos os sensores para

identificar uma possível invasão e acionar os alertas;

c) Reconhecimento ou identificação: o sistema deve ser capaz de identificar se a

pessoa é o usuário ou não e tomar as devidas decisões;

d) Retardo: o sistema analisa as condições de todos os sensores e câmeras antes

de tomar uma decisão ou aguarda uma ordem do usuário para evitar falsos

alarmes;

1,026

1,2

1,4

1,5

1,68

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

2006 2007 2008 2009 2010

Faturamento Anual com Sistemas de Segurança Eletrônica

Faturamento Anual (embilhões de dólares)

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e) Reação: o sistema deve disparar os alertas programados assim que houver uma

invasão, a fim de cancelá-la.

Bolzani (2004a) também diz que o sistema deve conter um software  

específico que é responsável pelo tratamento dos sinais emitidos pelos sensores.

Este software deve possuir duas abordagens, um para o caso de o usuário não estar

presente na residência e outra para o caso de ele estar presente. O sistema deve

ser capaz de evitar que o invasor chegue até o usuário, mantendo-o sempre em

segurança dentro da residência. Caso o usuário não esteja presente, o sistema tem

que ser capaz de enviar alertas remotamente informando da possível invasão da

residência ou solicitando algum comando, caso haja dúvidas sobre a autenticidade

da invasão.Bolzani (2004a e 2004b) considera o sistema de Segurança Patrimonial

como um sistema maior que se divide em cinco subsistemas. Estes sistemas são:

a) Detecção perimetral: se baseia em sensores e barreiras que monitoram o

perímetro da residência detectando possíveis invasões;

b) Sensoriamento interno: consiste em sensores que supervisionam o interior da

residência;

c) Circuito Fechado de Televisão (CFTV): associado ao Sistema de SensoriamentoInterno, CFTV consiste em câmeras colocadas em locais críticos da residência

(como a entrada ou áreas de acesso restrito) adaptadas para cada tipo de local,

enviando as gravações para um servidor3 que armazena as imagens;

d) Controle de Acessos: também associado ao Sistema de Sensoriamento Interno,

controla o acesso das pessoas a determinados pontos da residência através de

crachás, cartões, sistemas biométricos ou outros meios de identificação;

e) Controle de Rondas: consiste em controlar a movimentação do pessoalresponsável pela segurança para evitar brechas para uma invasão, este se aplica

em casos onde existe segurança feita por pessoas.

3 Computador com grande capacidade de processamento destinado a tarefas dedicadas.

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3 SOLUÇÃO PROPOSTA

3.1 Sistemas Microcontrolados

3.1.1 Microcontroladores 

Os microcontroladores são componentes que possuem os três principais

elementos da arquitetura de Von Neumann4 (CPU, memória e E/S), integrados em

um único componente, como representado na figura 4. Tanenbaum se refere aos

microcontroladores como “computadores embutidos” e diz que são “computadores

que são embutidos em dispositivos que não são vendidos como computadores”

(TANENBAUM, 2007, p. 18). Por possuírem a mesma arquitetura que os

computadores comuns, os microcontroladores podem realizar tarefas semelhantes,

porém com capacidade processual muito reduzida.

Figura 4: Arquitetura Genérica de um Microcontrolador

4 Arquitetura proposta pelo matemático John Von Neumann onde o computador deve contercomponentes para realizar a entrada, o processamento, o armazenamento e a saída dos dados.

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Os microcontroladores são encontrados em tipos variados de dispositivos

no mercado como eletrodomésticos, brinquedos eletrônicos, periféricos de

computadores e até armamentos militares. Por essa variedade de aparelhos os

microcontroladores possuem um mercado mais amplo que os microprocessadores.

Segundo Tanenbaum (2007), os microcontroladores podem ser

classificados em dois tipos: microcontroladores de propósito geral, que consistem

apenas em pequenos computadores com atividades comuns; e microcontroladores

de propósito específico, que possuem uma vertente definida, contendo um conjunto

de instruções específico para alguma atividade (multimídia, cálculos fracionários,

etc.).

Por possuírem uma arquitetura completa e uma estrutura simplificada, osmicrocontroladores podem obter melhor desempenho em tarefas que não

demandam muito processamento, mas que trabalham continuamente, por exemplo,

um circuito responsável por monitorar a temperatura de um ambiente, que precisa

obter dados reais em tempo real porém não demanda grande capacidade

computacional para isto. A estrutura simplificada de um microcontrolador também

permite que seu custo financeiro seja reduzido, podendo ser comprado por um preço

bem mais baixo que um microprocessador.

3.1.2 Diferença entre Microcontrolador e Microprocessador 

Em geral, um microcontrolador possui mais dispositivos que um

microprocessador, sendo hábil para executar mais tarefas que um microprocessador.

Os microprocessadores são mais voltados para o alto processamento,conseguindo trabalhar com grandes quantidades de dados em grande velocidade.

Para isso, os microprocessadores possuem apenas a CPU (Central Process Unit ),

que é responsável pelo processamento. Os demais dispositivos necessários devem

ser implantados externamente ao microprocessador, formando módulos auxiliares.

Esses módulos são responsáveis pelas funções principais da arquitetura Von-

Neumann (memórias e E/S), e outros, caso seja necessário. No caso de memória,

os microprocessadores modernos possuem a memória cache  acoplada, utilizando

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para armazenar as informações a serem executadas, porém ainda existem

diferenças em relação aos microcontroladores (FERREIRA, 1998).

Nos microcontroladores todos estes módulos estão inseridos em um único

componente (FERREIRA, 1998; NICOLOSI, 2007), o que permite que o

microcontrolador seja autônomo, ou seja, um desenvolvedor de sistemas não

precisa se preocupar com a entrada e saída de dados ou a forma de

armazenamento pois o microcontrolador mantém todos esses componentes

encapsulados em um único chip.

Figura 5: Microcontrolador contém uma CPU como o microprocessador (NICOLOSI, 2007)

No interior do microcontrolador também existe uma CPU. Esta CPU não é

tão desenvolvida como a de um microprocessador, sendo suficiente apenas para

trabalhar com poucos dados a uma baixa frequência. Comparando

microprocessador com microcontrolador, Nicolosi (2007) afirma que a CPU do

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microcontrolador corresponde ao microprocessador em um computador. Esta

afirmação foi representada na figura 5.

3.2 Sistemas de comunicação

3.2.1 Definição 

Entende-se por sistemas de comunicação, aquele que, através de um

canal direto, consegue transmitir uma mensagem ao seu destino, assim como

demonstrado na Figura 6. 

Figura 6: Elementos de um sistema de comunicação (HAYHN, 2004)

Em seu livro, HAYKIN (2004) afirma que existem dois tipos básicos de

transmissão: 

1. Radiodifusão (broadcasting): é aquele que utiliza apenas um transmissor robusto

para vários receptores. Neste tipo de transmissão os sinais que possuem

informação correm somente para uma direção. Exemplo deste tipo é a

transmissão de rádio e televisão, onde uma antena distribui o sinal em uma áreacom várias antenas receptoras. 

2. Comunicação ponto a ponto: é feita entre um transmissor e um único receptor.

Nesse caso normalmente a comunicação é feita de forma bidirecional, ou seja, o

receptor e o transmissor trocam dados entre si. Exemplo são as redes de

computadores, onde os computadores são conectados por cabos e tanto enviam

quanto recebem dados. 

Em um sistema de comunicação pode se destacar outros dois recursosimportantes: a potência transmitida e a largura de banda do canal. A potência

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transmitida é a intensidade do sinal enviado pelo meio. A largura de banda do canal

é o espaço alocado para a transmissão do sinal (HAYKIN, 2004). 

3.2.2 Redes Locais 

As redes locais, conhecidas também como LAN’s (Local Area Networks ),

são redes reservadas, que abrangem um único edifício ou campus universitário.

Normalmente é utilizada para conectar computadores pessoais e estações de

trabalho nas empresas e em instalações industriais, para o compartilhamento de

recursos (impressoras, scanner  ou multifuncionais) ou envio/recebimento deinformações. Segundo Tanenbaum (2003), existem três características que distingue

a rede LAN da demais:

Tamanho;

Tecnologia de transmissão;

Topologia.

Figura 7: Topologias de Redes (ROSS, 2008)

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As redes locais possuem tamanho limitado, não podendo ultrapassar a

distância de 100 metros conforme a NBR 14.565 (sem a necessidade de repetidores

de sinal5).

Uma rede local geralmente utiliza-se o cabo como meio de transmissão,

porém já existem muitas redes feitas com comunicação sem fio (wireless ), neste

caso levam a nomenclatura de WLAN (Wireless Local Area Network ).

Topologia é um termo que caracteriza como os objetos estão dispostos

em uma área, podemos visualizar na figura 7 alguns tipos de topologia.

3.2.3 Redes Sem Fio 

Avançamos por um caminho de grandes inovações tecnológicas.

Passamos de computadores que ocupavam galpões para máquinas que cabem

dentro do bolso. Podemos lembrar também de quando se iniciou o compartilhamento

de recursos, como impressoras e scanners. Hoje passamos do mundo estático para

o móvel e com ele surgiu à necessidade de uma rede permitisse essa mobilidade. As

redes sem fio vieram para contemplar essa nova exigência.Diante deste requisito, os engenheiros começaram a desenvolver

algumas tecnologias de rede sem fio. O Institute of Electrical and Electronics 

Engineers (IEEE) já possui padrões para normalizar as redes sem fio que existem

hoje no mercado. Esses padrões podem ser vistos na tabela 2.

Tipo deRede Cobertura Função Custo

Largura deBanda Padrões

WPANEspaço operacionalpessoal;

normalmente 10metros

Tecnologia desubstituição decabeamento;

redes pessoais

Baixo 0,1-4 MbpsIrDA, Bluetooth,

802.15

WLANPrédios ou campus;normalmente 100

metros

Extensão oualternativa pararedes cabeadas

Médio-baixo 1-54 Mbps802.11a, b, g,HIPERLAN/2

WWANNacional através devários fornecedores

Extensão de redelocal Médio-alto

8 Kbps-2Mbps

GSM, TDMA,CDMA, GPRS,

EDGE, WCDMARedes

deSatélite

Global Extensão de redelocal

Alto 2 Kbps-19.2 Kbps

TDMA, CDMA,FDMA

Tabela 2: Tipos de rede (ROSS, 2008) 5 Equipamentos responsáveis por replicar o sinal para evitar atenuação antes de chegar ao destino

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3.2.4 Bluetooth 

O Bluetooth é um padrão de comunicação entre dispositivos lançando em

1998 por um consórcio de empresas denominado Special Interest Group  (SIG),

composto inicialmente por Nokia, Motorola, Intel, IBM, Toshiba e Ericsson. No final

do mesmo ano já existiam quatrocentas empresas associadas ao SIG. O objetivo

inicial desta tecnologia era padronizar a comunicação entre celulares e periféricos

sem a utilização de cabos, entretanto o mercado incorporou a tecnologia também

em notebooks, PDAs, teclados, impressoras, mouses e fones de ouvido, entreoutros dispositivos.

Em 1999 foi lançada a versão release 1.0. Ao final do mesmo ano,

recebeu o prêmio “Best of Show Technology Award”  no COMDEX6 (Computer 

Dealers’ Exhibition). Dois anos depois, 500 tipos de aparelhos já utilizavam a

tecnologia para troca de dados entre dispositivos.

Os dispositivos que portam a tecnologia Bluetooth operam na banda ISM

(Industrial, Scientific and Medical band 7 

) em uma largura de 2,450GHz, podendovariar em alguns países entre 2,400GHz a 2,500GHz. Como se trata de uma

frequência de rádio aberta utiliza-se de um transceiver  (um dispositivo

transmissor/receptor aplicado na comunicação de dispositivos) para diminuir a

atenuação e interferência no sinal, e ainda utiliza a técnica de espalhamento de

espectro por saltos em frequência.

O transceptor Bluetooth é classificado quanto a sua potência de

transmissão. Essa classificação é detalhada na tabela 3.Classe Potência máx. de saída Potência min. de saída Alcance

1 100 mW (20 dBm) 1 mW(0 dBm) ≈ 100 m 

2 2,5 mW (4 dBm) 0.25mW(-6 dBm) ≈ 10 m 

3 1 mW(0 dBm) N/A ≈ 10 cm 

Tabela 3: Potência e alcance das classes de Bluetooth (Bluetooth Radio, 2011)

6

COMDEX (Computer Dealers' Exhibition ) uma feira de exposição que acontecia em novembro,iniciando em 1979 e tendo sua ultima edição em 2003, expondo periféricos e softwares.7 Industrial, Scientific and Medical (ISM) é uma banda de radio reservada internacionalmente parao uso de radio frequência nos campos da industria, ciência e medicina.

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Podemos entender por modulação como a transformação de um sinal que

possui uma informação em seu formato original em um sinal “transformado”

adequadamente ao meio de transmissão o qual será submetido. Este processo

ocorre por meio de um sinal senoidal chamado de portadora, cuja frequência é maior

que a frequência contida no sinal original.

A tecnologia Bluetooth possui um modo chamado de Enhanced Data Rate  

(Taxa de Dados Aprimorada) que é o esquema de modulação alterando o pacote. Os

códigos de acesso e cabeçalho do pacote são transmitidos com modulação GFSK8,

entretanto a sincronização de carga é feita usando o esquema PSK9.

A tecnologia Bluetooth possui uma arquitetura baseada na camada de

rádio, que obedece à camada física do modelo OSI10, lidando com a transmissão dedados via RF (Rádio Frequência) com as respectivas modulações. Logo acima a

camada Baseband  (ou banda base) descreve a especificação do Controlador de

Enlace (LC), este protocolo é responsável pelo controle do enlace de baixo nível. O

LMP (Link Manager Protocol ) ou Protocolo de Gerenciamento de Enlace é

responsável pela configuração e gerenciamento do enlace.

O HCI é a Interface de Controle do Host (Host Controller Interface ),

fornece às camadas superiores uma interface default de acesso ao LMP. O Logical 

Link Control and Adaptation Protocol , tem a função de multiplexação e

demultiplexação, lida com a qualidade do serviço QoS11 e segmenta a montagem

dos pacotes.

O Bluetooth foi adotado como meio de comunicação nesta solução por

permitir a conexão direta entre os dispositivos, dispensando o uso de roteadores ou

outros dispositivos para redirecionar o sinal do celular para a placa. Outro fator

decisório para a escolha do Bluetooth é o fato de, basicamente, todos os celulares e(principalmente) smartphones  possuírem um modulador Bluetooth integrado

nativamente.

8 GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) é um tipo de modulação no qual consiste em codificar osdados de uma portadora. Os pulsos passam por um filtro gaussiano diminuindo assim sua larguraespectral, sendo o bit 1 representado por uma variação positiva da frequência, e o bit 0 por umavariação negativa.9 PSK (Phase Shift Keying) é uma forma de modulação em que a informação do sinal digital éembutida nos parâmetros de fase da portadora. Neste sistema de modulação, a onda portadora é

deslocada em graus de 45, 135, 225 e 315 em intervalos uniformes.10 Arquitetura para redes de computadores que visa a padronização das diferentes redes11 QoS do inglês ( Quality of Services) é um conjunto de técnicas para transmissão de dados, quegarante a integridade dos dados.

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3.3 Plataforma Arduino

Arduino™ é uma plataforma open source hardware  composta em duas

partes: a placa Arduino™, que é o componente físico (hardware ), e o IDE Arduino™,

que é o software utilizado no computador para desenvolver os programas que serão

executados na placa Arduino™ (BANZI, 2008). Ambas essas partes serão mais

detalhadas nos próximos capítulos.

Figura 8: Logotipo atual do Arduino™ 

O Arduino™ surgiu na Itália no ano de 2005. A equipe responsável pela

criação e manutenção do projeto (intitulada Arduino Team ) é composta por MassimoBanzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino e David Mellis. A ideia por trás

do projeto é ter um sistema que permita o desenvolvimento ágil de circuitos,

ajudando iniciantes em eletrônica no aprendizado.

Por ser open source hardware o Arduino oferece um hardware e software  

bem flexíveis, ou seja, os códigos fonte do Arduino ou os esquemáticos ficam

disponíveis para que qualquer pessoa possa modificá-lo de acordo com sua

problemática, sem nenhuma cobrança de direitos autorais. Isso permite a criação deoutros modelos mais focados em uma situação (como uma conexão sem-fio, por

exemplo).

O Arduino™ foi escolhido para esta solução pela facilidade e agilidade

que a plataforma oferece para o desenvolvimento das aplicações. Por possibilitar a

programação de circuitos em um nível mais alto, o Arduino™ faz a computação

física ficar mais semelhante ao desenvolvimento de softwares aplicativos, que está

mais presente no nosso dia-a-dia.

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3.3.1 A Placa Arduino 

A placa Arduino™ é a parte física da Plataforma Arduino™. Baseia-se em

uma placa de circuito contendo um microcontrolador e outros componentes

complementares (chip de conversão serial, cristal de frequência, etc.). O

microcontrolador do Arduino™ contém um bootloader 12  gravado que é responsável

por executar os programas que serão inseridos pelo programador.

As placas Arduino™ oficiais (e também a maioria das placas não oficiais)

utilizam os microcontroladores Atmel ®  AVR, família megaAVR13 (serie ATmega)

(Arduino, 2011). Porém existem placas não oficiais montadas sobre outrosmicrocontroladores. Como dia, por ser um projeto com licença livre, a “comunidade”

é livre para utilizar os esquemáticos como quiser. Em uma entrevista, David Mellis

diz que “uma vantagem é a possibilidade de adaptar o modelo de negócios e o

fornecimento a diferentes situações. [...] Muitas pessoas têm desenhado novas

placas com base nos projetos anteriores.” (MELLIS, 2009).

Para fazer a captura de informações, o Arduino™ dispõe de portas (ou

pinos) digitais e analógicas. As portas digitais podem ser utilizadas como entrada ou saída de dados,

conforme o que o programador definir no código do programa. Servem para a

leitura de dados simples, que enviam apenas um pulso de energia como um

botão e para a escrita de dados. Dentre as portas digitais, duas são dedicadas à

comunicação serial, ligadas paralelamente às portas Rx e Tx14 do

microcontrolador, o que possibilita a troca de sinais com outro microcontrolador

ou um computador; As portas de entrada analógica são responsáveis por leitura de dados

analógicos (como a tensão de um sensor). O microcontrolador lê o valor destas

portas e converte em um valor entre 0 e 1023 (BANZI, 2008);

12 Um programa gravado diretamente no chip que é responsável por inicializar os outros programas

quando o circuito é ligado13 O microcontrolador ATmel® AVR é dividido em quatro famílias: tinyAVR, megaAVR, XMEGA eAt94k14 Pinos Rx (receptor) e Tx (transmissor) responsáveis por receber e enviar sinais, respectivamente

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As portas de saída analógica são algumas das portas digitais que podem ser

programadas para enviarem sinais analógicos. Essas portas possuem PWM15, o

que permite que se controle a intensidade do sinal enviado.

A quantidade de portas de uma placa Arduino™ varia de acordo com a

quantidade de pinos disponíveis no microcontrolador. O Arduino Mega, por exemplo,

utiliza um microcontrolador ATmega1280 e disponibiliza 54 portal digitais e 16 portas

analógicas. Já o Arduino Uno utiliza um microcontrolador ATmega328 e disponibiliza

apenas 14 portas digitais e 6 portas analógicas.

Além das portas digitais e analógicas, o Arduino™ possui uma porta serial

que é ligada às portas Rx e Tx do microcontrolador. O dispositivo serial conectado à

placa pode variar com os diferentes modelos de placa. O mais comum é uma portaUSB, mas é fácil encontrar placas com modems Bluetooth ou conectores ethernet 16 .

Além de receber os programas essas portas seriais podem receber dados (vindos de

um computador ou um celular, por exemplo).

Na solução deste trabalho foi utilizada uma placa Arduino BT. Esta placa

possui um modulador Bluetooth integrado que faz a comunicação serial com os

outros dispositivos. A placa utilizada é baseada no microcontrolador ATmega328,

com um clock de 16MHz. O Arduino BT possui 14 portas digitais, 4 delas contendoPWM, e 6 portas analógicas.

Figura 9: Arduino BT

15 Pulse-Width Modulation (ou MLP - Modulação por Largura do Pulso) permite o controle da cargaelétrica emitida16 Tecnologia para conexão de redes locais

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3.3.2 IDE Arduino 

O IDE (Integrated Development Environment ) Arduino™ é o software que

permite o desenvolvimento dos programas que serão executados na placa

Arduino™. Desenvolvida pela mesma equipe que mantém o hardware , o IDE segue

o mesmo princípio open-source , todo o código fonte (desenvolvido em linguagem

Java) está disponível para download no site oficial.

A última versão disponibilizada até o desenvolvimento deste trabalho é a

versão 00.22 alpha17, disponível para os três principais sistemas operacionais.

Apesar de estar na versão alpha, o software Arduino™ está disponível no site oficialpara qualquer pessoa fazer o download . Na metade deste ano foi lançada a versão

1.0 beta18, até a data de encerramento deste trabalho não foram divulgadas as

mudanças em relação à versão anterior, porém pode-se perceber uma mudança no

front-end 19 .

Dentro do IDE Arduino™ existe um compilador que realiza as análises

(léxica, sintática e semântica) no código digitado e sinaliza os possíveis erros. Esses

arquivos de códigos fonte gerados pelo Arduino™ são chamados sketchs . De dentrodo próprio IDE o desenvolvedor faz o upload  dos sketchs para a placa Arduino™.

Durante o upload  o compilador converte os sketchs  em arquivos assembly  e

transfere para a placa via porta serial. 

17 Versão em construção, mas apenas os envolvidos no projeto tem acesso ao software  18 Versão incompleta do software liberada publicamente para realizar testes com os usuários19 “Camada” responsável por interagir com o usuário e coletar os dados para processamento 

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Figura 10: Interface do IDE Arduino™  versão 00.22

3.3.3 Computação Física 

A Computação Física é a técnica que busca criar sistemas que possam

interagir com o mundo real, capturando informações do meio em que está inserido e

interagindo com essas informações. Funda-se em dispositivos eletrônicos (sensores,

atuadores) conectados a um microcontrolador com um software . O software  nomicrocontrolador é responsável por processar as informações recebidas dos

dispositivos conectados e executar a sua ação.

O campo de computação física é bastante explorar por designers  e

artistas plásticos em suas obras, como afirma Banzi (2008, p. 3). Fonseca (2009) diz

que esta técnica pode ser utilizada por várias áreas, não apenas áreas e

computação ou elétrica.

[...] computação fisica {sic} engloba todas as disciplinas que permitemconstruir equipamentos digitais de computação que interagem com, erespondem à, realidade fisica {sic} analógica que os rodeia, usandosoftware e hardware para este fim.

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(FONSECA, 2009)

3.4 Android

Android™ é o nome dado a um conjunto de tecnologias, as quais podem

citar sistema operacional, middleware e interface gráfica, destinado principalmente

para os dispositivos móveis, tablets e smartphones .

Esta tecnologia tem o propósito de auxiliar o desenvolvimento de

aplicativos para dispositivos móveis e fazer com que todos os recursos sejam

utilizados. O Google

 ® 

, empresa responsável pelo projeto Android™, atualmente,disponibiliza o código de toda a plataforma, tornando-o um software livre não

havendo a necessidade da compra de uma licença para uso ou desenvolvimento,

porém existem algumas regras para a comercialização dos aplicativos. Esse fator foi

o que influenciou na escolha da plataforma Android™ para o desenvolvimento do

aplicativo remoto.

O Android™ foi construído baseado no sistema operacional Linux, porém

não dá suporte a alguns itens cruciais em algumas distribuições como windowing 

system , componente de interface gráfica, e glibc (biblioteca C, utilizada para várias

arquiteturas de computadores). O grande chamariz do Linux, a segurança, foi

implementado no sistema Android™, os componentes são instalados

independentemente, portanto para um aplicativo tentar acessar aos dados de outro

aplicativo ele deverá ter permissão do usuário.

3.5 Detalhamento da Solução

A solução desenvolvida é composta por duas partes: a parte física, que

consiste no circuito elétrico e o programa carregado na placa Arduino™, e a móvel

(mobile ), que se baseia no aplicativo desenvolvido no smartphone  Android™. Ambas

as partes serão detalhadas nos capítulos seguintes.

Para simular um ambiente residencial o circuito foi montado sobre uma

maquete com dimensões em escala real de uma casa pequena, com quatro

cômodos sendo um o banheiro. Na maquete foram utilizados LEDs para representar

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as lâmpadas da residência. Os sensores de presença foram construídos utilizando

emissores e receptores de infravermelho.

A migração de LEDs para lâmpadas normais não impacta no programa

desenvolvido no Arduino™. Para permitir o controle de uma lâmpada normal é

necessário montar um circuito utilizando um transístor ligado a um relé, onde o

transístor amplifica o sinal vindo da porta digital do Arduino™ e envia para o relé.

3.5.1 Aplicação para testes 

Para auxiliar no desenvolvimento da solução foi criada uma aplicaçãopara computador para testar os programas no Arduino™. A aplicação se comunica

via USB com uma placa Arduino UNO. Em nível de programação o Arduino™ trata o

USB e o modem Bluetooth da mesma forma, lendo os sinais da porta serial. Assim, o

mesmo sketch  utilizado em uma placa USB pode ser utilizado em uma placa

Bluetooth.

As placas Arduino UNO e Arduino BT possuem o mesmo microcontrolador

(ATmega328) e a mesma arquitetura de portas. A diferença entre as duas se dá naforma de comunicação.

Independente da interface de comunicação o microcontrolador central

trabalha com um tipo de sinal específico (RS-232). O Arduino UNO possui um

microcontrolador ATmega8U2-MU que faz a conversão do sinal recebido pelo USB

para sinal serial e vice-versa. No Arduino BT essa conversão ocorre dentro do

modem Bluetooth. Os conversores são ligados aos pinos Rx e Tx do

microcontrolador central. Por isso a forma de leitura e escrita se mantem a mesmaem nível de programação.

A aplicação de testes foi desenvolvida em linguagem Java. Para a

comunicação serial foi necessário a utilização de uma biblioteca externa chamada

“RXTXcomm”20. O funcionamento se resume em coletar uma entrada de dados

digitada pelo usuário e enviá-la pela porta serial em que está conectado o Arduino™.

20 Disponível em http://rxtx.qbang.org

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3.5.2 Lado Arduino 

Enquanto a aplicação estava executando sobre o Arduino UNO,

conectado ao computador via USB, a porta serial estava sendo utilizada com uma

taxa de 9600 bits por segundo (bps ou baud ) para a comunicação, que é a taxa

padrão para a conexão via USB. Ao mudar a aplicação para o Arduino BT foi

necessário alterar esta taxa para 115200 bps, pois o adaptador Bluetooth do

smartphone trabalha com esta taxa de dados. Quando se tentava trabalhar com as

taxas diferentes os dados chegavam inconsistentes no Arduino™ e o programa não

reconhecia os valores recebidos. A taxa de baud é definida durante a programação,no momento em que a comunicação serial é inicializada. Neste caso a comunicação

serial deve ser iniciada utilizando o comando “Serial.begin(115200) ”. 

Para que o Arduino™ identifique a ação que o usuário escolheu foi

definido um conjunto de constantes para todo o sistema. Esses valores são

imutáveis e devem ser os mesmos tanto no Arduino™ quanto no Android™.

Casa Sala Cozinha Quarto BanheiroLâmpada 1 2 3 4 5

Sensor 6 7 8 - -

Tabela 4: Constantes utilizadas no sistema

3.5.2.1 Sistema de Iluminação

O sistema de iluminação oferece controle sobre todas as lâmpadas da

residência. Como mencionado anteriormente, aqui neste projeto as lâmpadas foram

substituídos por LEDs para se adaptar ao tamanho da maquete.

No modelo de residência utilizado, com quatro cômodos, cada lâmpada

ocupa uma porta digital do Arduino™. As lâmpadas estão ligadas no Arduino™ 

através das portas digitais 10, 11, 12 e 13. A lâmpada acende quando o sinal na

porta digital for positivo (1 ou High ) e apaga quando o sinal é nulo (0 ou Low ).

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3.5.2.2 Sistema de Segurança

O sistema de segurança é composto por sensores de presença e uma

sirene. No modelo de residência adotado foi utilizado apenas dois sensores de

presença, um na sala e um na cozinha.

Os sensores de presença foram feitos a partir de emissores e receptores

de infravermelho. Cada sensor é composto por um emissor e um receptor, que agem

em conjunto. O emissor é um LED infravermelho simples (como os emissores

encontrados em controles remotos de televisões), ligado ao Arduino™ diretamente.

Para aumentar o alcance do sensor pode ser utilizado um transistor entre Arduino™ e o emissor.

Quando ativado, o emissor dispara um sinal a cada 5 milissegundos.

Quando um objeto se posiciona em frente ao sensor, esse sinal e refratado de volta

para o sensor e captado através do receptor de infravermelho. Ao receber o sinal o

receptor gera um pulso positivo que é captado pelo Arduino™.

Figura 11: Receptor (à esquerda) e emissor (à direita) de infravermelho

Ao detectar presença, ou seja, ao receber um pulso positivo do receptor

de infravermelho, o programa no Arduino™ ativa o alarme da residência, disparando

a sirene e acendendo todas as lâmpadas da residência até receber um sinal de

desligamento do usuário. A sirene, na maquete, foi simbolizada por um buzzer para

se adaptar ao tamanho reduzido da maquete.

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Cada sensor de presença necessita de duas portas digitais, uma para o

emissor e uma para o receptor. Os dois sensores foram ligados ao Arduino™ pelas

portas 6, 7, 8 e 9, sendo as portas 9 e 7 funcionando como saída de dados

(emissores) e as portas 6 e 8 funcionando como entrada de dados (receptores). O

buzzer ficou ligado na porta 5 configurado como saída de dados utilizando PWM.

3.5.2.3 Integração dos Sistemas

Como tanto o sistema de iluminação quanto o sistema de alarme são

controlados pelo Arduino™, a integração dos dois fica mais fácil. Neste caso os doissistemas tem um ponto em comum que é o Arduino™. A integração é toda feita via

programação, sem precisar modificar o esquema elétrico para torna-la possível.

Como existe independência física dos dois sistemas, caso seja

necessário retirar o sistema de alarmes não será necessário modificar a instalação

elétrica do sistema de iluminação, apenas modificar o código do programa no

Arduino.

Nesta solução, em nível de programação, foram utilizados algunsconceitos de orientação a objetos. Assim, o sistema de alarmes e o sistema de

iluminação também possuem uma independência. A retirada de um dos dois não

causa grande interferência no funcionamento do outro.

3.5.3 Lado Android 

Para estabelecer a comunicação e trocar dados com a placa Arduino™ foi

utilizada uma classe chamada “TBlue”, disponibilizada por Karvinen e Karvinen

(2011) e adaptada para atender as necessidades da aplicação. Essa classe

centraliza todas as operações relacionadas à conexão Bluetooth com o dispositivo

remoto, neste caso o Arduino BT.

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Figura 12: Planta da casa apresentada na tela de interação com o usuário

A tela que faz a interação com o usuário apresenta uma planta da casa,

como uma visão aérea (figura 12). Ao clicar em um dos cômodos da casa o usuário

é redirecionado para a tela com os controles desse cômodo. A tela de controle é

quem captura os comandos do usuário e envia para a placa Arduino ™. De acordo

com o cômodo e a ação escolhida o programa envia um dado para o Arduino™ 

levando a constante definida para a ação (conforme listado na tabela 4).

Além do controle individual de cada cômodo, o sistema também oferece

uma tela para o controle de toda a casa, que permite acender ou apagar todas as

luzes e ativar ou desativar todo o sistema de alarmes. É nesta tela que o usuário

desativa o alarme caso este seja disparado.

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4 ANÁLISE DOS RESULTADOS

O projeto desenvolvido consegue atender a necessidade de um controle

residencial sobre os sistemas de iluminação e segurança por meio de um

smartphone . Durante os testes o sistema apresentou boas respostas aos comandos

realizados no celular, não apresentou delay 21 nas ações e foi eficiente em detectar

movimentos através do sensor de presença. Porém o projeto apresentou algumas

limitações.

A limitação mais impactante do projeto está na tecnologia adotada. O

adaptador Bluetooth® do smartphone  e o modem do circuito se enquadram na

classe 2, limitando a distância de conexão para até 10 metros sem barreiras. Nos

testes realizados o sinal começou a atenuar a uma distância de 7 metros, e não foi

possível estabelecer conexão a 10 metros. Esta restrição pode ser amenizada

dentro da residência utilizando vários moduladores Bluetooth® espalhados pelo

espaço e conectados em paralelo.

Apesar do entrave em relação à distância, o Bluetooth® oferece uma

vantagem sobre outras tecnologias por não depender de outros aparelhos paraestabelecer uma comunicação entre os dispositivos. Outra vantagem do Bluetooth® 

é a segurança no pareamento entre os aparelhos, onde é necessário informar o

código de segurança, neste caso definido na placa Arduino™, para o envio e

recebimento de dados.

Outra dificuldade encontrada foi em relação à quantidade de portas

digitais da placa Arduino™ que utilizamos na confecção do circuito. A placa Arduino

BT possui apenas 14 portas digitais, sendo que as portas 0 e 1 são dedicadas àcomunicação serial. Caso haja a necessidade de se conectar mais dispositivos será

preciso utilizar outra placa Arduino™ ou então uma placa que ofereça mais portas,

como a Arduino Mega, por exemplo.

Um obstáculo encontrado para a implantação desta solução em uma

residência é a integração com os interruptores de parede (ou semelhantes). A

solução mantém uma conexão direta entre o Arduino™ e as lâmpadas, dificultando a

inserção dos interruptores convencionais no circuito. Uma possível solução deste

21 Atraso ao executar uma ação

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problema é a criação de interruptores que enviem sinal para o Arduino™, tornando

todo o controle da lâmpada centralizado.

Outra dificuldade encontrada no desenvolvimento da aplicação foi a

leitura de dados do Arduino™ por parte da aplicação no smartphone . Ao mandar o

Arduino™ escrever na porta serial, ou seja, enviar dados através do modem

Bluetooth™, o smartphone não conseguia ler este sinal. Devido a este problema a

solução funciona apenas do lado Android™ para o lado Arduino™. 

Apesar das dificuldades encontradas, a solução apresentada é viável ao

requisito de controle sistemas, conseguindo atender as necessidades de unificação

dos controles e mobilidade. A solução consegue integrar de forma fácil os dois

sistemas (iluminação e segurança) sem manter dependência entre os dois,possibilitando a extração de um deles a qualquer momento.

O fato de ser totalmente desenvolvido sobre plataformas open-source  

também pode ser considerado uma vantagem, visto que, para a implantação do

sistema, não é necessário pagar licenças para utilizar as tecnologias.

O sistema desenvolvido neste trabalho também apresentou um baixo

consumo de energia para seu funcionamento. A placa Arduino™ utiliza uma carga de

5 volts, podendo ser alimentada até com uma bateria. Durante o desenvolvimento foiutilizada uma bateria de 9 volts com um regulador de tensão alimentar a placa. No

caso da implantação em uma residência o gasto mais elevado de energia é a

alimentação das lâmpadas.

Esta solução também apresenta facilidade na implantação residencial,

pois não necessita de reformas na estrutura da casa para que sejam instalados os

dois sistemas. Visto que as residências já possuem a instalação elétrica das

lâmpadas prontas é possível aproveitá-la no sistema de iluminação, porém aindaexiste o problema da integração com os interruptores de parede. Muitos recursos

sofisticados, hoje, necessitam de uma reforma na residência para serem

implantados, como um sistema de segurança mais avançado, com circuito fechado

de televisão e sensores mais avançados.

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5 CONCLUSÃO

Apesar de ser uma área pouco explorada, a automação residencial

oferece várias oportunidades para desenvolvimento e inovação, tanto na área de

computação quanto na área de elétrica e eletrônica. A plataforma Arduino™ pode ser

uma boa escolha para se desenvolver uma solução em automação residencial. A

solução desenvolvida neste trabalho consegue atender aos requisitos básicos do

controle residencial, integrando o sistema baseado no Arduino™ com um

smartphone Android™. 

A principal dificuldade encontrada no desenvolvimento deste trabalho foi ofato de trabalhar com duas tecnologias até então desconhecida para o grupo, tanto

Arduino™ quanto Android™, o que necessitou um maior tempo de aprendizagem

para desenvolver o sistema. Em relação à pesquisa, as duas tecnologias

apresentam poucas referências bibliográficas, dificultando o recolhimento de dados

para a revisão de literatura. Em contrapartida, as duas tecnologias oferecem um

grande acervo de material como exemplo que podem ser utilizados como base para

o desenvolvimento das aplicações.Com base nos resultados apresentados concluímos que o sistema que

desenvolvemos consegue atender as necessidades de controle em uma residência

pequena, eliminando o uso de diversos controles e centralizando todas as

operações em um único dispositivo móvel, no caso um smartphone  portando o

sistema Android™. 

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APÊNDICES

APÊNDICE A – Esquemático do Arduino BT