automação residencial com controle por smartphone android

4º Simpósio de Integração Científica e Tecnológica do Sul Catarinense – SICT-Sul

AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL COM CONTROLE POR SMARTPHONE ANDROID

Adilson Jair Cardoso1, Felipe Bez Fontana2, Gabriel Andrade Gaspar3, Giovanni DosSantos Berti4

1Instituto Federal de Santa Catarina/Professor DE/Campus Criciúma/[email protected] Federal de Santa Catarina/Estudante/Campus Criciúma/[email protected]

3Instituto Federal de Santa Catarina/Estudante/Campus Criciúma/[email protected] Federal de Santa Catarina/Estudante/Campus Criciúma/[email protected]

Resumo: A automação residencial é a integração de equipamentos eletroeletrônicos em um sistema único,inteligente e interativo, trazendo comodidade, economia e segurança às pessoas. O projeto buscou estudare aplicar os conceitos de automação, através de uma comunicação sem fio entre smartphone e uma placamicrocontroladora. Foi utilizado o software App Inventor para o desenvolvimento de uma aplicação Androidprópria para automação e placas microcontroladoras Arduino para o controle dos atuadores. Para isso,houve pesquisas nas áreas de eletrônica e programação, para a construção de um sistema automatizado.Por fim, através da confecção de uma maquete foi possível simular a automação de uma residência, naqual haveria o controle de iluminação, temperatura e a leitura de sensores. Finalizando o trabalho com umsistema funcional, alcançando assim todas as expectativas propostas ao início do projeto.

Palavras-Chave: Eletrônica, Android, Automação.

1 INTRODUÇÃO

A automação nas residências e prédios já é realidade há algum tempo.

Entretanto, o controle dos diversos equipamentos como iluminação, ar-condicionado,

cortinas, entre outros, era realizado por um dispositivo específico. Sendo assim, a

automação de hoje, conhecida também como domótica, vem com o objetivo de unificar

esses controladores para a criação de um sistema único, oferecendo mais comodidade e,

principalmente, segurança aos moradores. Sendo a sustentabilidade outro fator

importante, já que traz o consumo inteligente da energia elétrica. Com o avanço dos

processadores, dos padrões de comunicação sem fio e dos dispositivos móveis, é

possível a utilização do smartphone como um controlador unificado nas automações.

Para que o smartphone funcione como um controlador unificado é necessário

que exista uma conexão com dispositivos presentes na residência. Para que isso ocorra é

preciso utilizar uma rede de comunicação sem fio. Atualmente existem diversos tipos de

padrões de comunicação, sendo que cada um apresenta pontos positivos e negativos.

Hoje, o mais utilizado é o Ethernet. Padrão que está presente na maior parte

dos locais que frequentamos habitualmente. É através dela que conseguimos nos

conectar na maior rede de computadores do mundo. Com o padrão de comunicação

internet, conseguimos transferências de dados em alta velocidade para qualquer parte do

mundo, com ou sem necessidade de cabos. Outra questão importante é a segurança que


esta rede apresenta, tanto a imunidade a ruído quanto aos dados durante o tráfego.

Sendo assim, o padrão internet é o melhor que se apresenta, quando necessita-se de

velocidade, segurança e principalmente alcance para o controle de vários dispositivos.

Já o ZigBee, é um outro padrão de comunicação que restringe-se a um

ambiente de uso, que é o caso do industrial. Portanto, suas características são focadas a

oferecer resultados diferentes do que se obteria com o padrão internet, por exemplo.

Questões como, sua alta imunidade a ruídos, distância de operação entre 100 metros ou

mais, e principalmente sua capacidade de funcionamento em baixa potência. Esta última

característica é o que faz dele um ótimo padrão para indústrias, onde o controle à

distância de máquinas é fundamental.

O ZigBee é um padrão baseado no protocolo IEEE 802.15.4, foi desenvolvido e

é controlado pela ZigBee Alliance. Dentre os vários dispositivos de hardware baseados no

protocolo ZigBee, um modelo bastante conhecido é o XBee, atualmente fabricado pela

líder de mercado Digi International, que adquiriu a MaxStream, antiga fabricante deste

dispositivo. Os módulos XBee são compostos, basicamente, por um microcontrolador e

um transceptor. O microcontrolador contém o firmware com a implementação do protocolo

ZigBee e a especificação do comportamento do dispositivo (Coordenador, Roteador ou

Dispositivo Final).

A contratação do serviço de domótica é uma oportunidade para poucos,

mesmo nos dias atuais com a expansão tão rápido da tecnologia. Isso se deve ao alto

custo dos equipamentos utilizados e a baixa concorrência entre empresas que prestam

esse serviço. É fundamental que se busque alternativas para diminuir esse custo. Assim,

o incentivo à pesquisa na área de automação é de extrema importância, pois além de

desenvolver tecnologias mais acessíveis, proporciona oportunidade aos alunos de

seguirem esse ramo.

Nesse contexto, o projeto visa a elaboração de um protótipo, uma maquete, na

qual serão aplicados os conceitos estudados. Onde, através de um smartphone Android

será possível controlar os dispositivos instalados na maquete via uma rede de

comunicação sem fio.

2 METODOLOGIA

A domótica utiliza vários elementos, que normalmente são independentes, de

uma forma sistêmica. Unindo as vantagens dos meios eletrônicos aos informáticos, de

forma a obter uma utilização e gestão integrada dos diversos equipamentos da residência.


Este controle, hoje, é feito através de comandos enviados de um smartphone, tablet ou

computador, junto com um aplicativo desenvolvimento para se conectar ao sistema da

casa. Esse sistema se refere à central que processa os comandos enviados dos

controladores e integra os atuadores, sejam lâmpadas, aparelhos de ar-condicionado,

cortinas, portões, ou outros.

Então, para a construção de um sistema automatizado, foram desenvolvidos

programas para uso no smartphone e para as placas microcontroladoras, que se

comunicam através das redes Internet e ZigBee (FALLUDI, 2011).

Para o melhor andamento do projeto, os trabalhos foram divididos da seguinte

forma. Um aluno ficou com a função de estudar e desenvolver o aplicativo para o

smartphone de sistema operacional Android. Outro aluno, estudou banco de dados e

linguagem PHP. Enquanto isso, o terceiro aluno ficou com o estudo da eletrônica e da

programação da placa microcontroladora Arduino.

Utilizando-se do Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE) chamado App

Inventor, iniciou-se a aprendizagem em programação. Esta ferramenta online e gratuita

que foi criada pela Google, difere da programação comum por oferecer uma linguagem

mais intuitiva a partir da junção de blocos. Exemplo que pode ser visto na figura 1.

Figura 01 - Exemplo de aplicação desenvolvida no App Inventor a partir da junção dos blocos.

Primeiramente foram construídos aplicativos para o controle de equipamentos

com função de ligar e desligar. Em uma segunda etapa, foi desenvolvido o controle do tipo

linear, onde pôde-se ter o controle analógico, como o brilho de uma lâmpada, por

exemplo.


A placa Arduino foi criada a partir de um projeto iniciado em 2005 na Itália

(EVANS,2011). Esse projeto tinha como objetivo inicial desenvolver uma plataforma de

prototipagem eletrônica de hardware livre, tornando a robótica mais acessível a todos.

Seu sucesso tornou-se tão grande que hoje ele é usado desde hobistas a engenheiros na

construção de projetos eletrônicos (MONK,2011).

Para a comunicação da placa com o smartphone, utilizou-se de uma versão do

Arduino integrada com o módulo Ethernet (Figura 2).

Figura 02 - Arduino Ethernet utilizado no projeto.

No protótipo desenvolvido foram utilizados módulos XBee ligados em Arduinos

UNO para o acionamento de dispositivos distantes através do padrão de comunicação

sem fio ZigBee. Com isso, foi necessário a criação de um simples protocolo que utiliza o

acionamento de portas digitais para sincronizar os dados entre o Arduino Ethernet (que

recebe as informações do banco de dados) e o Arduino coordenador da rede ZigBee (que

comanda os dispositivos distantes sem fio).

Figura 03 - Shield ZigBee utilizada no projeto.


Os módulos XBee podem operar de duas maneiras: no modo Transparente

(AT) e no modo API (Application Programming Interface). No modo de operação

transparente, o dispositivo atua simplesmente como um substituto da linha de

comunicação serial. O modo de operação API é uma alternativa ao modo de operação

transparente. A API, baseada em quadros (frames), estende o nível no qual a aplicação

pode interagir com os recursos de rede do módulo. Nesse modo de operação, todos os

dados enviados e recebidos pelo módulo XBee são organizados em pacotes que definem

as operações ou eventos dentro do módulo.

Basicamente, o modo de operação API oferece um alto grau de controle e

gerenciamento da rede. No entanto, exige uma manipulação mais complexa através da

formatação de mensagens em pacotes. Já o modo de operação Transparente restringe o

uso de algumas funcionalidades, porém, apresenta uma interface muito simples.

A topologia de uma rede define a forma com que os vários elementos estão

conectados e uma rede ZigBee pode se organizar em diversas topologias. As mais

comuns são: ponto a ponto, estrela, árvore, malha. Como podem ser visualizadas na

figura 4.

Figura 4 – Topologias ZigBee

Uma das dificuldades encontradas na utilização dos módulos XBee Pro Serie 2

foi a falta de material disponível para a sua utilização, pois os módulos Serie 1 possuem

um custo menor e são mais fáceis de configurar. Fato esse, que faz a Serie 2, de maior

potência, ser menos utilizada.

Para a instalação e gerenciamento do banco de dados de forma segura e

facilitada, foi utilizado o WampServer. Software publicado através da licença para

software livre GPL (Licença Pública Geral). Foi desenvolvido com o propósito de agilizar a


instalação dos softwares PHP, MySQL e Apache, que fazem parte do funcionamento

básico de um banco de dados. Com o banco instalado e configurado, foi estudado a

linguagem PHP para a criação de Web Services, que servem como ponte de

comunicação de duas ou mais plataformas diferentes. Que é o caso do nosso projeto,

onde temos o smartphone, sendo o controlador, o banco de dados, onde as informações

dos dispositivos da casa estarão guardados, e por fim o Arduino como acionador.

Finalizado a parte inicial dos estudos, começou-se o desenvolvimento de uma

maquete utilizada como protótipo. Buscando mobilidade, foi desenvolvida uma maquete

móvel em forma de mala, que quando aberta transforma-se em uma representação de

uma casa automatizada.

Com a maquete finalizada, a parte eletroeletrônica pôde ser implementada,

para assim iniciar o processo de automatização, com a programação da placa

microcontroladora e do aplicativo Android.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Com trabalho em equipe e mediante a vários testes, a maquete foi finalizada

conforme o planejado. Dentro dela temos os cômodos com LEDs para a simulação da

iluminação com controle liga/desliga. Na cozinha possui também a representação de um

ventilador, que através do aplicativo pode-se regular a velocidade de rotação. Na parte

externa da casa temos a iluminação, que pode ser controlada, ligada ou desligada

automaticamente, através do sensor de luminosidade.

Nos quartos foram utilizados os módulos XBee escravos, onde um dos quartos

é equipado com sensor de luminosidade e um LED controlável, simulando a iluminação.

Já o outro possui um sensor de temperatura e a representação de um ar-condicionado

através de um cooler (mini ventilador) e um resistor de alta potência.


Figura 04 - Maquete Construída

Tudo isso sendo controlado através do aplicativo presente em um smartphone

Android que envia informações ao banco de dados, que então é lido pela placa Arduino

Ethernet.

Figura 05 - Aplicativo Android desenvolvido para smartphone

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Este trabalho é gratificante, pois foi possível a iniciação científica dos

estudantes no desenvolvimento de tecnologias para a domótica, como a programação de

aplicativos, da placa microcontroladora Arduino, e gerenciamento de banco de dados.


Além do estudo do ZigBee, que é um padrão de comunicação sem fio muito utilizado nas

indústrias de hoje.

Vale salientar que os bolsistas apresentam um ótimo desempenho e interesse,

já que também estão frequentando o curso de mecatrônica no Instituto Federal de Santa

Catarina, Campus Criciúma, o que levou o projeto a alcançar todas as suas expectativas.

Também cita-se que ao difundir esta tecnologia empresas podem vir a se formar para

atender a demanda crescente da automação residencial.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos ao IFSC pelo suporte dado através das bolsas aos alunos, as

quais foram importantes para a realização do projeto.

REFERÊNCIAS

TYLER, J. App Inventor for Android: Build Your Own Apps - No ExperienceRequired!. 1.ed. John Wiley & Sons, 2011.WOLBER, D.; ABELSON, H.; SPERTUS, E.; LOONEY, L. App Inventor. 1.ed. O'ReillyMedia, 2011.GISLASON, D. Zigbee Wireless Networking. 1.ed. Newnes, 2004.FALUDI, R. Building Wireless Sensor Networks. 1.ed. O'Reilly Media, 2011.EVANS, B. Beginning Arduino Programming. 1.ed. Apress, 2011.

MONK, S. Programming Arduino Getting Started with Sketches. 1.ed. McGraw-Hill/TAB Electronics, 2011.

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