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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Julio Julinho Marcondes de
Moura”
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
GABRIEL THOMAZ THABET
SISTEMA DOMÓTICO MICROCONTROLADO ACESSÍVEL VIA WEB
Garça
2015
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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Julio Julinho Marcondes de
Moura”
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
GABRIEL THOMAZ THABET
SISTEMA DOMÓTICO MICROCONTROLADO ACESSÍVEL VIA WEB
Artigo Científico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito para a conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores.
Data de Aprovação: 09/12/15
Prof. Dr. José Arnaldo Duarte
FATEC – Garça
Prof. Ms. Idelberto de Genova Bugatti
FATEC – Garça
Prof. Ms. Edio Roberto Manfio
FATEC – Garça
Garça
2015
SISTEMA DOMÓTICO MICROCONTROLADO ACESSÍVEL VIA WEB
Gabriel Thomaz Thabet1
Prof. Dr. José Arnaldo Duarte2
Resumo - Este artigo tem seus objetivos baseados no desenvolvimento de um protótipo para aplicabilidade da automação residencial, também denominada Domótica. Isto é, automatizar o ambiente gerando melhoria em relação ao conforto e gerenciamento técnico, possibilitando controle e monitoramento em tempo real do ambiente. Além disso procura propor automação eficiente e otimizada, utilizando o microcontrolador PIC18F4620 que através da comunicação serial se integra ao hardware de baixo custo Arduino UNO R3, que em conjunto com o Ethernet Shield pode ser acessado e monitorado por dispositivos móveis por meio de aplicativos Android e de páginas da web. Este é um sistema tecnológico que vem ganhando cada vez mais espaço no mercado por esses dispositivos estarem mais presentes no cotidiano das pessoas, é conveniente transformá-lo em um controle universal residencial. Além da aplicabilidade o projeto visa a implementação e o desenvolvimento da tecnologia, de modo a contribuir com o aprofundamento dos estudos e desenvolvimento da área. Palavras-Chave: Domótica. Automação Residencial. Microcontroladores. Ethernet. Dispositivos Móveis. Web. Abstract - This article has your goals based on the development of a prototype for applicability of domotics, also called Home Automation. So the environmental automation leads to the improvement on the comfort and technical management, enabling control and real-time monitoring of the environment. It also seeks to provide automation efficient and optimized, using the PIC18F4620 microcontroller via serial communication integrates with low-cost Arduino UNO R3 hardware, which together with the Ethernet Shield can be accessed and monitored by mobile devices through Android applications and web pages. This is a technological system that is gaining more space in the market for these devices are more present in daily life, which makes it useful turns it into a residential universal control. Besides its applicability, this project aims to implement and develop the technology in order to contribute to the deepening of studies and development area. Keywords: Domotics. Home Automation. Microcontrollers. Ethernet. Mobile Devices. Web.
1 INTRODUÇÃO
O projeto tem suas expectativas baseadas no desenvolvimento e aplicação de
um sistema microcontrolado capaz de aplicar os recursos da Domótica a uma maquete
predial, com o intuito de demonstrar os benefícios e qualidades deste sistema.
1 Aluno do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – FATEC-Garça 2 Docente da Faculdade FATEC-Garça
“A palavra Domótica é a junção da palavra latina Domus (casa) e do termo
Robótica. O significado está relacionado à instalação de tecnologia em residências,
com o objetivo de melhorar a qualidade de vida”. (TAVARES; BATISTA; RAMOS,
2013, p.6).
A automação encontra-se bastante difundida nos diversos ramos industriais e
tem alcançado novos espaços e ultrapassado fronteiras. Os componentes que
agregam tecnologias relacionadas são aplicados às instalações residenciais,
possibilitando um monitoramento e controle semelhante ao dos ambientes industriais,
trazendo assim os benefícios da automação para dentro das residências.
De acordo com Wollz (2012, p. 02 apud Domotics Integration Project, 20xx),
Domótica ou tecnologia da casa inteligente é a integração dos serviços e tecnologias, aplicados a residências, flats, apartamentos, casas e pequenas construções, com o propósito de automatizá-los e obter aumento em relação à segurança, proteção, conforto, comunicação e gerenciamento técnico.
Com a aplicação da Domótica, é possível proporcionar benefícios como
gerenciamento técnico de recursos, conforto, economia, prevenção de acidentes,
falhas nos equipamentos, segurança dos usuários, e otimização do uso de energia e
água, o que justifica a relevância social do tema, e a contribuição acadêmica
proporcionada pelos resultados alcançados.
A aplicação da Domótica na iluminação encontra-se desde o uso de
temporizadores e sensores de presença para controlar o acionamento de lâmpadas,
até o controle à distância, por meio da rede internet através de dispositivos com
acesso à web, dentre muitas outras possibilidades. Todos os recursos de controle e
monitoramento utilizados em conjunto podem proporcionar uma grande economia de
recursos, como energia e água em uma residência. Por exemplo, desligar luzes após
um determinado intervalo de tempo em que sensores de presença não registrem
pessoas no ambiente, torneiras temporizadas e muitas outras aplicações.
De acordo com a Comat Releco (2014), “em segurança sua aplicação é bem
ampla, pode-se usar uma infinidade de sensores como de pressão, temperatura,
fumaça, nível [...]”. Possibilitando informar o usuário do sistema sobre condições
adversas na residência a distância, por meio de avisos no aplicativo ou informações
contidas na página web.
Com o surgimento de novas integrações de hardwares, como o Arduino e todos
os shields, além de microcontroladores em geral, a aplicação da Domótica se tornou
muito mais acessível economicamente, além de contribuir com a facilitação de sua
integração com aplicativos para celulares, tablets, notebooks e outros dispositivos.
Essa facilitação contribui com o desenvolvimento de meios que possibilitem o controle
e supervisão da Domótica, através destes dispositivos.
A evolução da tecnologia presente principalmente nos celulares disseminou o
seu uso tornando-o uma ferramenta de nosso cotidiano. Segundo a Organização das
Nações Unidas (ONU, 2013), dos 7 bilhões de pessoas que habitam o mundo, 6
bilhões têm celulares. Os dados demonstram o quanto o celular se faz presente na
vida das pessoas, sendo assim, conclui-se o quanto seria útil se além da
comunicação, fosse utilizado como um controle universal de uma residência, além de
possibilitar também a supervisão de qualquer local onde se tenha conexão com a
internet.
O trabalho visa aplicar e desenvolver estratégias para aperfeiçoar a automação
da iluminação, irrigação, segurança, climatização e mobilidade em ambientes
residenciais, proporcionando conforto, segurança e tecnologia, como também,
desenvolver um protótipo para aplicação dos conhecimentos adquiridos.
Como objetivos específicos, visa:
- Controlar e monitorar um ambiente predial via web.
- Realizar a comunicação serial entre os microcontroladores, ATmega328P
presente no hardware Arduino UNO R3, e o microcontrolador PIC18F4620;
- Aplicar componentes eletrônicos e mecânicos, afim de melhorar e beneficiar
a utilização deste serviço;
- Facilitar tarefas residenciais integrando os dispositivos móveis com os
ambientes residenciais;
- Possibilitar controle e monitoramento otimizado e eficiente.
2 METODOLOGIA
O artigo está fundamentado teoricamente nas leituras de documentos escritos
por pesquisadores qualificados, além de documentação técnica relacionada aos
componentes e sistemas utilizados na área da Domótica.
2.1 Hardware Arduino UNO R3
O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica com arquitetura
totalmente Open Source (livre para modificações, implementações e
comercialização), criada na Itália, em 2005, com o intuito de oferecer aos projetos
escolares uma boa economia em relação aos outros sistemas de prototipagem
utilizados na época. Esta foi projetada com o Microcontrolador Atmel AVR, contendo
suportes de entradas/saídas, com uma linguagem de programação padrão,
denominada Wiring, baseada na linguagem C e C++. A placa Arduino UNO R3 é
composta por um microcontrolador ATmega328P.
De acordo com a Multilógica Shop (2015), o Arduino UNO R3 possui 14 pinos
de entradas/saídas digitais, dos quais 6 podem ser utilizados como saídas PWM,
incluindo também 6 pinos de entradas analógicas com resolução de 10 bits que podem
ser utilizados como entradas/saídas digitais. A memória do microcontrolador que
compõe o hardware é de 32 Kbytes, em que 0, 5Kb são usados pelo bootloader, tendo
ainda 2 Kbytes de SRAM e 1024 bytes de EEPROM. O cristal oscilador (clock)
aplicado ao hardware é de 16Mhz. Tem uma conexão do tipo USB, uma entrada para
fonte de alimentação e pinos para comunicação ICSP.
Os pinos ICSP (In-Circuit Serial Programming) presentes na placa são
utilizados no protótipo para a comunicação entre o Arduino UNO e o Ethernet Shield,
através do protocolo SPI (Serial Peripheral Interface). Porém também podem ser
utilizados para a programar o microcontrolador que compõe o Arduino, ICSP pode ser
traduzido como programação serial em circuito, ou seja, uma programação feita
enquanto o circuito está em funcionamento.
De acordo com Zanco (2010),
O protocolo SPI, desenvolvido pela empresa Motorola Inc., é útil em comunicação full-duplex e adequado em aplicações nas quais se deseja transferir o fluxo de dados, tais como na interface com memória EEPROM, conversor A/D, modem etc.
Neste projeto o protocolo SPI, é utilizado em comunicação full-duplex,
possibilitando a troca de dados entre o Ethernet Shield e o Arduino UNO R3, a
comunicação entre os dispositivos é realizada através do barramento ICSP.
Segundo Campos (2015), os pinos ICSP são compostos por 2 pinos de
alimentação (VCC e GND), pino MOSI (responsável pelo envio de dados do mestre
Arduino UNO para o periférico, no caso o Ethernet Shield), pino MISO (responsável
por receber dados enviados pelo periférico), e o pino SCK (pino pelo qual o mestre
controla os pulsos de clock da comunicação).
O microcontrolador presente no hardware também possui um módulo de
comunicação serial integrado, disponibilizando então 2 pinos (RX e TX) específicos
para comunicação serial UART (universal asynchronous receiver transmitter). Esta é
a comunicação utilizada para a troca de dados entre o Arduino e o PIC18F4620.
Entretanto os pinos também são utilizados para a comunicação do hardware com o
software de programação Arduino, por meio destes que são feitos os uploads dos
sketches (códigos de programação) do software para o microcontrolador, o módulo de
comunicação serial integrado, possibilita a troca de informações somente no padrão
TTL necessitando assim de um chip conversor USB para TTL, pois a comunicação
com o software é no padrão USB, o responsável por fazer esta tradução de sinal é o
chip presente no hardware ATmega16U2.
A recomendação de alimentação é entre 7-12 VCC. A corrente máxima
suportada nos pinos Entrada/Saída é de 40mA, e ainda, cada pino possui um resistor
interno Pull-up de 20-50K (desconectados por padrão). Pode operar em temperaturas
entre 10° à 60°C (ARDUINO, 2015).
2.2 Hardware Ethernet Shield
A placa em questão tem como principal finalidade conectar o Arduino à internet
ou rede intranet, tornando-o on-line para outros dispositivos da rede. O hardware é
baseado no chip Ethernet da Wiznet W5100, que suporta até 4 conexões de socket
simultâneas.
O Ethernet Shield fornece acesso à rede nos protocolos TCP e/ou UDP, sendo
conectado à rede através de um cabo ethernet plugado em seu conector RJ45. Para
escrever os sketches (códigos de programação) que possibilitam a conexão com à
internet é utilizada a biblioteca Ethernet Library, e para o acesso ao cartão MICRO-
SD presente na placa a SD Library (ARDUINO, 2015).
A placa possui 1 conector de 6 pinos, 2 conectores de 8 pinos e 1 conector de
10 pinos, além de um slot para cartão MICRO-SD. O shield se integra a placa Arduino
através das barras de pinos que o compõe, fazendo com que os pinos do shield não
entrem em contato indevido com os pinos do Arduino, evitando assim qualquer tipo
de curto circuito indesejado na hora do funcionamento de ambos, essa integração do
Shield com o Arduino Uno R3 pode ser observada na figura do apêndice 1.
Como dito anteriormente Arduino Uno se comunica com o chip W5100 presente
no hardware Ethernet Shield e o cartão Micro SD utilizando o protocolo SPI, através
dos pinos denominados conectores ICSP (In Circuit Serial Programming), que estão
espelhados também nos pinos digitais 11, 12 e 13. Alguns detalhes desta
comunicação SPI entre Arduino e Ethernet Shield pode ser observada através dos
leds presentes na placa do Ethernet Shield.
Segundo a Multilógica Shop (2015), existe uma série de leds de informação:
PWR: Indica que a placa está ligada; LINK: Indica a presença de uma rede e pisca
quando o Shield transmite ou recebe informações; FULLD: Indica que a conexão de
rede é full-duplex, ou seja, dados podem ser enviados e recebidos ao mesmo tempo;
100M: Indica a presença de uma conexão de rede de 100Mb/s; RX: Pisca quando o
Shield recebe informações; TX: Pisca quando o Shield transmite informações; COLL:
Pisca quando colisões na rede são detectadas.
2.3 Microcontrolador PIC18F4620
Segundo Correia (2011, apud Ibrahim, 2006) o termo microcontrolador
descreve um sistema que inclui um microprocessador, memória de programa,
memória de dados, e entrada e saída (E/S) de informações. E este pode ser
programado em diversas linguagens de programação como assembly, pascal, C e
C++. No caso do protótipo desenvolvido através deste artigo a linguagem usada é o
C++.
Com o surgimento da necessidade de expandir o número de entradas e saídas,
bem como o aumento de memória para programa, foi aplicado no protótipo que serve
como base para este projeto um microcontrolador da família PIC (Programmable
Interface Controller ou Controlador de Interface Programável) sendo escolhido o PIC
da família de 8 bits, devido ao seu menor custo/benefício em relação as outras famílias
tendo em vista a aplicação especifica para este projeto. Em pesquisa realizada com
fornecedores deste microcontrolador fabricado pela empresa Microchip Technology
Inc., foi escolhido o PIC18F4620 devido ao seu maior número de pinos de e/s.
De acordo com informação obtida através do datasheet fornecido pela
Microchip Technology Inc. (2008), O PIC 18F4620 possui um total de 40 pinos sendo
que 36 podem ser utilizados como entradas ou saídas digitais, e 13 dentre os 36
podem ser utilizados como entradas ou saídas analógicas possuindo assim um
conversor análogo digital de 10 bits. Podemos conferir na figura 1 (anexo), a imagem
do PIC18F4620 com identificação dos seus pinos e as devidas funções.
Outro grande atrativo para o emprego deste microcontrolador no projeto, foi sua
quantidade de memória disponível para programa (FLASH), sendo possível
armazenar programas com até 64 Kbytes, além de sua memória volátil (SRAM) de
3968 bytes, e sua memória não volátil (EEPROM) de 1024 bytes. Entre as diversas
qualidades e características deste MCU podemos destacar o modulo de comunicação
serial EUSART que temos integrado ao hardware do PIC18F4620, o que possibilita a
comunicação serial com o outro hardware do projeto, o Arduino.
O diferencial do modulo EUSART do PIC18 segundo Zanco (2010), é que o
módulo possibilita a autodetecção da taxa de transmissão (baud rate), isto pode ser
feito apenas no modo assíncrono, e pode ser ativado alterando alguns registradores
referentes a comunicação. Dessa forma através do intervalo de tempo entre a
chegada de um bit e outro, o microcontrolador automaticamente detecta o baud rate
em que deve operar. No entanto, neste projeto é empregado o baud rate de 9600 bps
para ambos dispositivos.
Para a programação deste microcontrolador foi utilizado o ambiente de
desenvolvimento MikroC PRO, sendo feito um bom levantamento teórico referente a
biblioteca UART Library fornecido pela MikroElektronika, esta foi utilizada para auxiliar
na programação referente a comunicação serial UART.
2.4 Comunicação Serial UART
Segundo Zanco (2010), Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART)
é um protocolo de comunicação serial assíncrono desenvolvido na década de 1960
para permitir a comunicação ponto a ponto entre computadores mainframes e
computadores terminais remotos.
Neste artigo este protocolo de comunicação visa a integração do hardware
Arduino com o microcontrolador PIC18F4620, afim de expandir as funcionalidades do
sistema e aperfeiçoar o conhecimento adquirido sobre comunicação serial.
O tipo de comunicação utilizado neste protocolo é o full-duplex, ou seja, os
dispositivos podem trocar informações simultaneamente recebendo e enviando
através de dois fios, estes devem ser conectados inversamente nos dispositivos que
se comunicaram através da serial (RX do PIC diretamente ligado ao TX do Arduino, e
vice-versa). Sendo que o pino RX é o responsável por receber os bytes de informação,
e o TX responsável por transmitir esses bytes.
De acordo com Exsto Tecnologia Ltda. (2009),
Em aplicações de comunicação muitas vezes não basta apenas transmitir os dados que se deseja de um receptor para um transmissor. Por exemplo, devemos implementar meios de detectar eventuais erros na transmissão ou delinear o início se fim da mensagem.
Este tipo de comunicação serial acontece bit a bit, sendo um bit enviado de
cada vez, por esse motivo é necessário a criação de um protocolo próprio, conhecido
por ambos os dispositivos que fazem parte desta rede de comunicação. Este protocolo
sinaliza onde é o início e o fim de cada mensagem, tornando possível a interpretação
de diversos bits sequencialmente, já que os dispositivos sabem onde começa e
termina cada mensagem.
Para Exsto Tecnologia Ltda. (2009),
Para isso é necessário que o receptor saiba a taxa de transmissão e portanto, a duração de cada bit. Ainda que o transmissor indique de alguma forma onde começa e onde termina a transmissão. Dessa maneira, o receptor aguarda a chegada da indicação de início, chamado start bit ou bit de início e quando esse é lido ele sabe que a cada intervalo de tempo, chamado tempo de bit (Tb) um bit novo está presente na via de comunicação.
Para que a comunicação seja feita em velocidade igual de um dispositivo para
outro e assim possivelmente interpretada, é necessário a configuração do baud rate,
responsável por definir o período que cada bit permanece na linha de transmissão,
sendo assim define qual a quantidade de bits pode ser transmitida por segundo. A
configuração é feita por software na programação dos dispositivos que participam da
comunicação, e deve ser exatamente igual entre os dispositivos, afim de evitar a perda
de dados e possibilitar a comunicação com o mínimo de erros.
Em uma comunicação síncrona além do baud rate, os dispositivos precisam ter
o mesmo clock, mesma base de tempo, porém para o protótipo desenvolvido neste
projeto a comunicação adotada foi assíncrona, necessitando a configuração
semelhante entre os dispositivos presentes na rede apenas do baud rate.
2.5 Sensor de Umidade
Para realizar o monitoramento da umidade do solo, foi empregado o sensor
grove moisture, este é um dos diversos tipos de sensores utilizados para medir a
umidade do solo. Sua principal vantagem é o baixo custo, e a principal desvantagem
é que deve ser calibrado para dados mais precisos. O sensor grove é composto por 2
componentes básicos, sonda e módulo comparador.
A sonda fica abaixo da superfície do solo. Ela mede a umidade através da
resistência elétrica apresentada pelo ambiente onde se encontra, a resistência é
medida através do envio de uma corrente elétrica para as hastes da sonda então
dependendo da dificuldade desta corrente passar de uma haste para outra é gerado
um valor de resistência. Os valores são altos quando o solo está seco pois quanto
maior a umidade menor a resistência que a corrente elétrica encontrará. A sonda é
revestida por diversos tipos de materiais dependendo do fabricante, e a principal
finalidade deste revestimento é evitar a oxidação.
O segundo componente que constitui o sensor é um módulo que possui um
circuito integrado LM393, responsável por traduzir a resistência presente no solo em
valores legíveis para o microcontrolador, este módulo tem em sua saída de dados
duas opções, sendo uma saída analógica responsável por enviar valores entre 0 e
1023 (10 bits), e outra saída digital que somente responde se a umidade está abaixo
ou acima da umidade calibrada através de um potenciômetro presente no próprio
módulo.
3 PROJETO E CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
Para estruturação e desenvolvimento deste trabalho, foram adotadas as
metodologias da pesquisa experimental, pesquisa exploratória e pesquisa
bibliográfica. Este artigo foi escrito através de fontes significativas, como links
confiáveis, documentos e exemplos on-line, além do estudo adquirido em sala de aula.
O protótipo se constitui em um experimento realizado a partir da teoria estudada
para a realização da Domótica.
3.1 Hardware Arduino e Ethernet Shield
Após o levantamento teórico do tema e a comprovação da eficiência do sistema
por meio de projetos já existentes, foi adquirido o hardware Arduino UNO R3, iniciando
então por meio do software Arduino IDE (Integrated Development Environment ou
Ambiente de Desenvolvimento Integrado) as primeiras programações e testes.
Com a comprovação prática da facilidade para desenvolver projetos nesta
plataforma e a automação residencial estar direcionada para o contexto de aplicações
sem fio, surgiu o interesse de expandir as limitações físicas e integrar o sistema com
dispositivos móveis por meio de redes internas e externas.
Na procura de meios para essa integração, de forma pratica e econômica,
buscou-se a direção da placa Ethernet Shield. Esta integra ao Arduino UNO,
expandindo suas funcionalidades, podendo então assumir um IP (internet protocol),
via programação capaz de estabelecer conexões de entrada e saída de dados. Com
o auxílio da biblioteca Ethernet padrão do Arduino foi realizada a programação dos
códigos que fazem a comunicação entre o Ethernet Shield e o Arduino UNO R3, após
essa programação ser concluída, deve ser plugado um cabo de rede no conector RJ-
45 do shield, para possibilitar a ligação de ambos os dispositivos à internet e intranet.
Com o auxílio de protoboards, leds, resistores e modem, iniciaram os testes da
integração de ambos os dispositivos com a rede intranet, comprovando a expansão
através de uma página da web que acessa o Arduino diretamente por IP, integrando
esta página ao APP Inventor (plataforma para criação de aplicativos Android), onde é
possível uma programação em blocos na linguagem Java.
Para o uso do APP Inventor, foi necessário um levantamento teórico minucioso,
por ser algo totalmente novo, o que demandou muitos testes para resolver os
problemas encontrados, após finalização desses testes, foi demonstrado a total
integração de dispositivos móveis Androids, com a página web gerada pelo Arduino.
Então foi decidido dar um novo avanço ao projeto retirando os leds, e passando para
o acionamento de equipamentos usuais do cotidiano, como as lâmpadas utilizadas na
maioria das residências.
Entretanto, havia a limitação desse acionamento que seria de no mínimo 127V,
esta foi solucionada com o emprego de relés (5V - 127V 10A/220V 7A).
3.2 Relés
Os relés são componentes que atuam como chaves, porém, o Arduino não
suportaria seu acionamento direto, o que implicou no emprego do transistor BC548, o
qual permite o acionamento dos relés, por meio da passagem de corrente de uma
fonte externa, somente quando sua base estiver alimentada pelo pino do Arduino,
tornando possível o controle de tensões até 220V (máxima tensão dos relés
adquiridos).
Finalizando o circuito, com o emprego de um diodo em paralelo com o relé,
diminuindo ruídos, e um resistor em série com o pino do Arduino a fim de gerar a
corrente necessária para o acionamento da base do transistor, este que tem seu
emissor ligado ao GND da fonte e também do Arduino, e seu coletor na saída da
bobina do relé, obtendo assim o esperado com a teoria do circuito, realizando com
sucesso o acionamento do relé.
3.3 Confecção da Placa dos Relés
Em seguida acabou surgindo a ideia de confeccionar uma placa para o circuito
de relés aumentando a praticidade e segurança do circuito, optando por montar o
circuito impresso com o auxílio do software Proteus gerando melhor organização e
acabamento ao protótipo, após a montagem esquemática na ferramenta ISIS e a
montagem do circuito impresso na ferramenta ARES este foi impresso no glosspaper.
Dando início à confecção física da placa, o método escolhido foi o de
transferência térmica. O glosspaper já preenchido pelo circuito gerado através do
Proteus foi colocado em cima da placa de cobre virgem, então aquecido com o ferro
de passar até que o tonner presente no papel fosse transferido para a placa, foram
necessários apenas alguns retoques com caneta de retroprojetor.
Após a placa de cobre estar com tinta preenchendo estrategicamente as
superfícies desejadas, foi feita uma solução com o 250g de percloreto de ferro
decomposto em 500 ml de água, onde a placa foi inserida e submersa até que a
solução corroesse as áreas de cobre expostas, ou seja, sem a proteção da tinta, o
processo foi realizado em menos de 15 minutos, bastando somente a limpeza da
superfície cobreada (retirada da tinta) que se fez com o uso de solvente.
A próxima etapa foi realizar a furação da placa para serem conectados os
terminais dos componentes, buscando soluções viáveis economicamente e práticas
para fazer esses furos foi adquirido um perfurador manual de placas, que permitiu
executar com agilidade essa atividade do processo.
Com a placa pronta para receber os componentes foi realizado o processo de
soldagem, e o mesmo realizado manualmente por meio de um ferro de solda e
estanho, finalizando a confecção da placa de relés. O estado final da placa pode ser
observado no apêndice 2, figuras 1 e 2.
Após a finalização da placa foi construída uma maquete de madeira,
reaproveitando tabuas de um guarda-roupa. Para a demonstração do funcionamento
do sistema desenvolvido.
3.4 Confecção da Maquete Inicial
Foi obtido o resultado de uma maquete referente a uma casa de 8 cômodos,
para mostrar uma variedade de funcionalidades como o acionamento de 7 lâmpadas,
incluindo até mesmo o acionamento e temporização de uma bomba de água que tem
a vazão de 210L/h aproveitando sua disponibilidade, com intuito de simular uma
irrigação temporizada e acionada através do dispositivo Android.
Neste projeto, o aplicativo utilizado foi criado através do App Inventor, e tem a
função de controlar e monitorar o estado das entradas e saídas existentes na
aplicação prática do protótipo. Ou seja, o aplicativo receberá parâmetros vindos
diretamente do shield, através de uma conexão via Internet entre os dois, fazendo
com que este envie dados ao Arduino, definindo então qual função programada deve
ser ativada, podendo alterar o estado das saídas, de qualquer lugar, desde que tenha
alguma conexão de rede disponível.
Após sucesso com o acionamento de 8 relés e o acionamento preciso de tempo
da bomba, foi feita a construção da parte elétrica que recebe a tensão de 127V para
destinar as lâmpadas e a bomba, empregando bornes distribuindo tanto a fase como
o neutro para os 8 circuitos em paralelo, tornando-se independentes um do outro,
permitindo o acionamento individual de cada um.
Terminando este ciclo do projeto, o protótipo até aqui citado foi apresentado
como ideia inicial do TCC na Faculdade de Tecnologia de Garça, dando andamento
ao projeto e aprofundamento aos estudos relacionados a Domótica, surgiram novas
necessidades, passando então para uma próxima etapa do projeto. Com a
observação de algumas limitações, sendo a principal delas, o fato de que o aplicativo
desenvolvido só poderia ser instalado e funcionar em dispositivos que utilizam a
plataforma Android, devido ao ambiente de desenvolvimento ser propriedade do
Google empresa que desenvolve o sistema Android. Gerando o interesse e
necessidade do desenvolvimento de uma página web para esta comunicação.
3.5 Desenvolvimento de uma página web
Devido a necessidade de expandir o acesso ao sistema de automação
desenvolvido neste artigo, surgiu o interesse em fazer o monitoramento e o
acionamento dos diversos dispositivos integrados ao sistema através de uma página
web. Esta página acaba com limitações da plataforma Android, e pode ser acessada
por dispositivos de qualquer plataforma (IOS, Android, Windows, dentre outras), sendo
necessário para o acesso somente que o dispositivo tenha algum aplicativo capaz de
acessar páginas web.
Entretanto a grade curricular do curso não possui conteúdo para subsidiar e
auxiliar o desenvolvimento de páginas web, porém após a realização de pesquisas
on-line foi encontrado um site de cursos on-line voltado para a linguagem web
necessária para o desenvolvimento. Iniciando então o curso de linguagem HTML
oferecido pelo site Codecademy, sendo este oferecido de forma gratuita. Após a
conclusão do curso citado, foi adquirido o conhecimento necessário para o
desenvolvimento de uma página web baseada em linguagem HTML.
Com a aquisição do conhecimento necessário iniciou se o desenvolvimento da
página de controle e monitoramento do sistema, esta foi criada baseada em tabelas,
empregando ícones para a representação do estado das lâmpadas e com mensagens
escritas ao lado esquerdo de cada ícone contendo o andar que a lâmpada pertence,
a fim de facilitar o monitoramento e o entendimento dos usuários do sistema, com a
intenção de tornar a interface com o usuário bastante amigável. Não necessitando que
o usuário tenha conhecimento sobre linguagens de microcontroladores ou linguagens
web.
3.6 Aplicação do microcontrolador PIC18F4620
Depois da conclusão do estudo relacionado a matéria de redes, surgiu o
interesse em realizar a comunicação do Arduino UNO com outro microcontrolador,
podendo aplicar os conhecimentos adquiridos de forma pratica.
O microcontrolador escolhido para ser integrado ao protótipo foi o PIC devido
aos estudos praticos já realizados durante o curso em matérias relacionadas a
programação de microcontroladores. Sendo então a versão PIC18F4620 considerada
mais adequada ao projeto dado às suas características do custo/benefício.
Foram iniciados os testes relacionados a comunicação serial assíncrona UART
de forma prática, e individual para cada microcontrolador. Após obter êxito em relação
a comunicação serial individual houve a integração de ambos microcontroladores,
através dos pinos RX e TX conectados entre eles inversamente.
Após a configuração idêntica do baud rate de ambos via software a
comunicação se mostrou bastante estável, gerando bons resultados e indicando a
total possibilidade de integração entre o PIC18F4620 e o Arduino UNO.
Para gerar maior confiabilidade e minimizar falhas devido a problemas de
contatos nas conexões, foi necessário a construção de uma placa para o PIC,
empregando bornes a fim de possibilitar a comunicação com as entradas e saídas do
microcontrolador com maior segurança. Na figura 1 e 2 do apêndice 3, pode ser
observada a placa do PIC em seu estado de confecção final, esta que ocorreu através
do método de transferência térmica já utilizado anteriormente e auxilio do software de
desenvolvimento Proteus.
O PIC18F4620 está sendo programado através do ambiente de
desenvolvimento MikroC, pois foi constatado que este software de programação tem
uma biblioteca de apoio a comunicação UART, facilitando assim sua implementação.
Ao aumentar a complexidade da comunicação foi observado a necessidade da
criação de um protocolo, conhecido por ambos, tanto o hardware Arduino UNO R3
como para o PIC18F4620. Visto que de forma prática foi encontrado dificuldade para
a transmissão e interpretação de mensagens longas, contendo muitos caracteres,
através da comunicação serial.
Criando então uma comunicação baseada em um protocolo, no qual o
caractere ASCII “!” representa o início da mensagem e o caractere ASCII “#”
representando o final da mensagem. Assim caso algum caractere for perdido no meio
da mensagem, os microcontroladores a descartaram assim que chegar o caractere
indicando o começo de uma nova mensagem. Podendo desse modo interpretar vários
caracteres sequencialmente formando mensagens longas, sem misturar com os
caracteres das mensagens que já foram executadas, ou caracteres das mensagens
futuras.
Outra grande aplicabilidade do microcontrolador ao protótipo é a utilização de
seu módulo PWM, através de 2 saídas digitais que serão responsáveis pelo controle
da velocidade e do sentido de giro do eixo do motor empregado ao elevador. Porém,
5 saídas digitais também serão utilizadas para o acionamento das lâmpadas e 5
entradas digitais vão ser utilizadas para a leitura dos sensores reed switches.
3.7 Confecção da maquete final
Com o surgimento de novas ideias e o aprofundamento dos estudos em relação
a Domótica, a maquete precisava ser reconstruída pois seria integrado a ela um
elevador, surgiu então o interesse em transformar a maquete em um prédio podendo
assim demonstrar perfeitamente a atuação do elevador controlado via web.
Aproveitando a disponibilidade de local, maquinas e equipamentos
necessários, nesta segunda etapa a maquete construída foi confeccionada utilizando
materiais metálicos. Com o emprego de metalons, cantoneiras e chapas, foi
confeccionada uma maquete contendo 5 andares incluindo o térreo. Com as
dimensões de 130 cm de altura e 30 cm de largura.
3.8 Projeto mecânico do elevador
Antes de iniciar o dimensionamento mecânico dos componentes do elevador,
foi realizado o estudo referente aos sistemas mecânicos de elevadores existentes,
com a intenção de reproduzir uma maquete próxima a realidade.
Com a conclusão do projeto para o sistema mecânico do elevador a ser
empregado, decidiu se pela aplicação de dois mancais paralelos bi apoiando o eixo
do motor escolhido, que por fácil disponibilidade foi utilizado um motor acionador de
vidro automotivo, prevenindo assim que o rolamento do motor sofra um grande
esforço.
Em relação a cabine, foi projetada empregando 8 rolamentos utilizados
somente para deslizamento, de modo que facilite o máximo possível sua
movimentação nos trilhos (cantoneiras), sendo estes posicionados nas 8 arestas da
cabine, como pode ser observado na figura 1 do apêndice 4.
A polia que faz a movimentação do elevador através do eixo do motor está
localizada entre os mancais, seu raio externo possui 15 mm podendo atingir a
dimensão de 20 mm com o cabo de aço do elevador completamente enrolado e,
levando em consideração que a força do motor é de 100N/cm, ele consegue mover
um peso de 50N ou 5kg contando com o peso estrutural da cabine.
Iniciando então o dimensionamento do diâmetro mínimo do eixo do motor para
admitir esta carga sem deformações e, com a intenção de obter o menor rolamento
possível para este mancal, gerando assim economia dentro das condições de
funcionamento ideais.
Partindo do dimensionamento do eixo em relação a torção foi obtido através de
fórmulas, utilizando os dados da tensão admissível para aço 1020 trefilado (material
do eixo) sendo a solicitação através de carga alternada, e o momento torcedor levando
em conta o raio máximo da polia de 20 mm e a carga máxima de 5 kg, resultando em
um diâmetro mínimo do eixo ideal sendo de 5 mm.
Verificando então o diâmetro de 5 mm obtido anteriormente em relação à flexão
do eixo, através do módulo de resistência à flexão e da tensão admissível em relação
à flexão do aço utilizado, obteve-se que o eixo de 5 mm utilizando o aço 1020 trefilado
para a carga alternada suporta 8,5 kgf/cm, sendo assim se fez necessário que os
mancais fossem posicionados a 15 mm do centro da polia, limitando a carga do
elevador em relação a flexão para 5,6 kg. Segue no apêndice 4 os cálculos citados.
Após as definições anteriores conclui se a definição de 5 mm para diâmetro
interno do rolamento a ser utilizando nos mancais, chegando então ao rolamento CTK
625, que satisfaz todas as necessidades do projeto. Após a obtenção do rolamento,
se fez necessário a usinagem dos mancais.
Os mancais e polia foram confeccionados com material cedido pela faculdade,
blocos de poliacetal, sendo então torneados e fresados até chegar na forma projetada.
Embutindo assim os rolamentos nos mancais e montando o eixo respeitando as
dimensões calculadas. Sendo que as dimensões finais foram 30 mm entre os mancais
e 15 mm entre cada mancal e o centro da polia. Na figura 2 do apêndice 4 pode ser
observado o sistema mecânico em sua projeção final.
3.9 Projeto do controle e monitoramento do elevador
Após finalizar o dimensionamento e a parte mecânica, tornou se necessário o
estudo dos meios para controlar e monitorar o elevador. Para o controle foi projetado
um circuito eletrônico conhecido como ponte H, capaz de chavear a alta corrente que
pode atingir até 30A para o motor adquirido, e sensores para o monitoramento da
movimentação deste elevador.
A ponte H foi confeccionada através de mosfets, transistores e resistores,
sendo utilizada para a inversão do sentido de giro e o controle da velocidade do eixo
do motor. Porém, os mosfets necessitam de uma tensão maior que a fornecida pela
fonte (12V) para entrar em operação, fazendo necessário o emprego do circuito
integrado NE555, com a intenção de duplicar a tensão de 12V para a alimentação dos
mosfets. Então com o auxílio de resistores e capacitores o objetivo foi atingindo
possibilitando o funcionamento do circuito.
Para o monitoramento foram escolhidos reed switchs, devido ao seu baixo
custo e a possibilidade de detecção sem haver contato, o que aumenta a vida útil do
componente. Estes sensores são posicionados estrategicamente, sendo um reed
switch por andar, e este é acionado quando o elevador passa por ele, através do
campo magnético gerado por um imã preso a estrutura da cabine do elevador.
Podemos conferir uma imagem de como acontece este acionamento na figura 1 do
apêndice 5, onde vemos o imã preso a cabine do elevador passando em frente ao
reed switch preso a estrutura da maquete.
Com o fechamento dos contatos do reed switch, uma porta do microcontrolador
PIC18F4620 é acionada, e este entende por programação qual é o andar do reed
switch acionado, repassando determinada mensagem indicando este andar, através
da comunicação serial para o Arduino UNO, que é responsável por interpretar esta
mensagem e repassar ao Ethernet Shield através de comunicação serial utilizando o
protocolo SPI, e o shield é responsável por repassar esta informação a web (interface
do usuário) indicando qual andar o elevador está.
A placa da ponte H foi confeccionada utilizando o método de transferência
térmica, citado anteriormente e utilizado para a construção da placa dos relés.
Auxiliado pelo software Proteus e equipamentos como ferro de passar roupa,
glosspaper, caneta de retroprojetor, impressora a laser, ferramenta para furação,
placa de fenolite, ferro de solda, estanho e componentes. No apêndice 5 na figura 2
está a imagem da placa em seu estado final.
3.10 Montagem final
Após a conclusão e sucesso nos testes iniciou se a montagem final do protótipo,
embutindo e fazendo a ligação da placa dos relés, da placa do PIC18F4620, do
Arduino UNO integrado com o Ethernet Shield, e da placa dos sensores reed switch
na cobertura do último andar, sendo este o responsável por abrigar ainda o motor e o
sistema mecânico de acionamento do elevador. Podemos conferir esta montagem
localizada na superfície do último andar em apêndice 6 na figura 1.
O penúltimo andar ficou responsável por receber os distribuidores de fase e
neutro, também por abrigar a fonte do motor que movimenta o elevador, e a placa da
ponte H, como podemos conferir na figura 2 do apêndice 6.
Na figura 3 do apêndice 6 podemos conferir uma imagem do protótipo em sua
confecção final, com a vista de frente para o elevador.
3.11 Resultados
O Modem da rede recebe os dados enviados a partir da página web, e repassa
esses dados ao Ethernet Shield através do cabo ethernet conectado ao RJ-45 de
ambos os dispositivos, sendo assim o shield os repassa através da comunicação ICSP
via protocolo SPI ao Arduino UNO R3 que é responsável pela interpretação destes
dados através do seu microcontrolador ATmega328P.
Após a interpretação, o Arduino deve enviar uma mensagem através da
comunicação serial UART, indicando qual ação foi requerida via web e deve ser
tomada pelo PIC18F4620, caso a mensagem seja enviada o Arduino retorna uma
mensagem para a página web afim de informar o usuário sobre a ação.
O PIC18F4620 ficou responsável pela interpretação de dados seriais recebidos
via comunicação serial com o Arduino, afim de realizar o controle e monitoramento da
iluminação e da movimentação do elevador, repassando então através da
comunicação serial ao Arduino o estado dos dispositivos integrantes deste controle.
O Arduino UNO R3 teve como finalidade a interpretação de dados obtidos via
web e adquiridos a partir da comunicação SPI realizada com o Ethernet Shield,
repassando a interpretação destes dados ao PIC18F4620 através da comunicação
serial UART. Pelo fato da comunicação ser full-duplex, o Arduino também é
responsável por receber e interpretar dados seriais enviados pelo PIC18F4620
contendo informações do monitoramento dos dispositivos. Sendo assim este é
responsável por repassar as informações do monitoramento feito pelo PIC para a
página web, além disso este hardware tem a função de fazer o monitoramento e
controle da umidade, obtendo os dados necessários através do sensor groove e o
controle a partir da bomba d’agua.
4 CONCLUSÃO
Após à demonstração prática da atuação do sistema da forma esperada,
concluiu-se que o hardware Arduino UNO R3 em conjunto com o Ethernet Shield,
pode ser integrado ao PIC18F4620 através da comunicação serial UART, podendo
usufruir dos benefícios de ambos os microcontroladores tanto do PIC como do
ATmega328P contido no hardware Arduino.
Comprovando os benefícios e estabilidade da comunicação serial, foram
abertas portas para maior exploração do sistema, que pode ser adquirido através de
poucos recursos e possibilita uma enorme variedade e quantidade de aplicações.
Ficou definido também que o uso do APP Inventor para a construção de
aplicativos para uso universal é limitada e não é possibilitada pela plataforma, devido
ao funcionamento do aplicativo somente no sistema operacional Android.
Após a aplicação da página web ao sistema conclui-se sua total integração aos
dispositivos móveis independente do sistema operacional, possibilitando que o
usuário tenha acesso ao sistema de qualquer plataforma existente no seu dispositivo.
Conclui-se a eficácia do circuito ponte H para controle de motores de corrente
contínua, garantindo o controle do sentido de rotação e da velocidade utilizando o
PWM para chaveamento do circuito através da programação do microcontrolador.
Em relação à parte mecânica foi comprovado a eficiência e eficácia do
dimensionamento correto dos eixos e mancais, através da demonstração do perfeito
funcionamento do sistema mecânico dimensionado neste projeto.
Este projeto teve seus objetivos alcançados, pois durante a construção do
mesmo foram aplicados diversos conhecimentos adquiridos no decorrer do curso de
tecnologia em Mecatrônica Industrial, possibilitando assim uma demonstração prática
de alguns dos desafios que serão encontrados na jornada de trabalho na área de
Mecatrônica Industrial.
5 REFERÊNCIAS
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<http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoEthernetShield>. Acesso em: 13 set. 2015.
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<http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno>. Acesso em: 8 set. 2015.
CAMPOS, Augusto. Entendo os 6 pinos de ICSP dos arduinos. 2015. Disponível em:
<http://br-arduino.org/2015/05/arduino-icsp-attiny-atmega.html>. Acesso em: 20 ago. 2015.
COMAT RELECO. Domótica e automação residencial – residências inteligentes.
2014. Disponível em:
<https://comatreleco.com.br/domotica-automacao-residencial/>. Acesso em: 1 set. 2014.
CORREIA, Felipe Pinheiro apud Ibrahim. Estudo e desenvolvimento de um sistema para
o gerenciamento do fluxo de tags rfid via web. Juazeiro, 2011. Disponível em:
<http://www.univasf.edu.br/~ccomp/monografias/monografia_7.pdf> Acesso em: 20 ago.
2015.
EXSTO Tecnologia Ltda. XM118 – microcontroladores PIC18. Santa Rita do Sapucaí.
2009.
MULTILÓGICA SHOP. Arduino ethenet shield r3. Santo André. 2015. Disponível em:
<https://multilogica-shop.com/Arduino-Ethernet-Shield>. Acesso em: 13 out. 2015.
MULTILÓGICA SHOP. Arduino uno r3. Santo André. 2015. Disponível em:
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MICROCHIP TECHNOLOGY INC. Pic18f2525/2620/4525/4620 data sheet. 2008.
Disponível em:
<http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39626e.pdf>. Acesso em: 10 jun. 2015
ORANIZAÇÃO DAS NAÇÕES UNIDAS. Dos 7 bilhões de habitantes do mundo, 6 bi têm
celulares. 2013. Disponível em:
<http://www.onu.org.br/onu-dos-7-bilhoes-de-habitantes-do-mundo-6-bi-tem-celulares-mas-
25-bi-nao-tem-banheiros/>. Acesso em: 3 set. 2014.
TAVARES, Guilherme Burdinski; BATISTA, Gustavo Henrique Bressan; RAMOS, William
Prestes. Sistema microprocessado para automação residencial baseado em power line
communication via protocolo x-10. Curitiba. 2013. Disponível em:
<http://nupet.daelt.ct.utfpr.edu.br/tcc/engenharia/doc-
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WOLLZ, Fabíola Escarse Bento. Estratégias para otimização da iluminação e redução
do consumo energético em edifícios residenciais. 2012. Disponível em:
<http://www.ipog.edu.br/download-arquivo-site.sp?arquivo=estrategias-para-otimizacao-da-
iluminacao-e-reducao-do-consumo-energetico-em-edificios-residenciais-99141518.pdf>.
Acesso em: 11 out. 2015.
ZANCO, Wagner da Silva. Microcontroladores PIC18 com linguagem C uma abordagem
prática e objetiva com base no PIC18F4620. São Paulo: Érica, 2010.
Anexos
Figura 1 – PIC18F4620 e todos os seus pinos.
Fonte: Microchip Technology Inc. (2008).
Apêndices 1 - 6
Apêndice 1
Figura 1 - Placa Ethernet Shield encaixada no Arduino.
Fonte: (O Autor).
Apêndice 2
Figura 1 – Vista Superior da placa dos relés de acionamentos.
Fonte: (O Autor).
Figura 2 – Vista Inferior da placa dos relés de acionamentos.
Fonte: (O Autor).
Apêndice 3
Figura 1 – Vista Superior da placa do PIC18F4620.
Fonte: (O Autor).
Figura 2 – Vista inferior da placa do PIC18F4620.
Fonte: (O Autor).
Apêndice 4
1 – Dimensionamento do eixo em relação a torção
Momento de Torque (Mt) = 5 kg (carga) x 2 cm (raio da polia)
Momento de Torque (Mt) = 10 kgcm
Tensão Admissível de Torção (Aço 1020 trefilado, carga alternada) = 400 kgf/cm²
Diâmetro mínimo (do) = ∛((momento de torque (Mt) / 0,2 x Tensão Admissível de Torção))
Diâmetro mínimo (do) = ∛((10 kgfcm / 0,2 x 400 kgf/cm²))
Diâmetro mínimo (do) = 0,5 cm
2 - Dimensionamento do eixo em relação a flexão
Módulo de resistência a flexão (WF ) = ( π x Diâmetro fazer eixo³ ( do³ ) ) / 32
Módulo de resistência a flexão (WF ) = ( π x 0,5 cm) / 32
Módulo de resistência a flexão (WF ) = 0,012272 cm
Tensão Admissível de flexão ( Aço 1020 trefilado , alternada carga ) = 700 kgf / cm²
Momento fletor (MF) = Tensão admissivel de flexão x módulo de resistência a flexão (WF )
Momento fletor (MF) = 700 kg / (cm ^ 2) x 0,012272 cm
Momento fletor (MF) = 8,5 kg / cm
Adotando 1,5 cm dos Mancais ao Centro da polia
Momento fletor (MF) = (8,5 kg) / ( 1,5 cm) = 5,66 kg
Conclui se então que o eixo de 5mm aguentará uma carga maxima de 5,66 kg na polia.
Figura 1 – Cabine do Elevador.
Fonte: (O Autor).
Figura 2 – Sistema mecânico do elevador.
Fonte: (O Autor).
Apêndice 5
Figura 1 – Sensor reed switch acionado por imã.
Fonte: (O Autor).
Figura 2 – Placa da ponte H.
Fonte: (O Autor).
Apêndice 6
Figura 1 – Último andar em sua montagem final.
Fonte: (O Autor).
Figura 2 – Penúltimo andar em sua montagem final.
Fonte: (O Autor).
Figura 3 – Maquete Final.
Fonte: (O Autor).