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APLICAO DE HARDWARE DE BAIXO CUSTO NA AUTOMAO RESIDENCIAL Eduardo Germano da Silva1, Anderson Luiz Fernandes Perez2 Universidade Federal de Santa Catarina / Laboratrio de Automao e Robtica Mvel

eduar.germano@gmail.com anderson.perez@ufsc.br

Resumo: Este artigo descreve o desenvolvimento de um sistema distribudo para monitorar os ambientes de uma residncia, configurando, gerenciando e adequando o contexto de acordo com as preferncias do usurio. A automao sensvel ao contexto aumenta o grau de acessibilidade de uma residncia, pois permite que o ambiente seja um agente proativo e aja de maneira inteligente, se antecipando as diversas situaes com solues que beneficiam seus usurios. O sistema desenvolvido permite que o usurio controle totalmente a residncia, por meio de interfaces de comunicao locais e remotas, baseado em hardware de dimenses reduzidas, permitindo que este execute de modo pervasivo. A eficincia e a confiabilidade do sistema foram comprovadas em trs diferentes experimentos realizados em bancada.

Palavras-Chave: Automao Residencial, Hardware de Baixo Custo, Domtica, Arduino, Raspberry PI

1 INTRODUO

A evoluo dos processos automatizados na indstria trouxeram padres, uniformidade e flexibilizao nos meios de produo. Com o intuito de melhorar a qualidade de vida das pessoas, a automao vem se estendendo do ambiente industrial para o ambiente residencial (FERREIRA, 2010).

A automao residencial, em um primeiro momento, percebida por usurios como smbolo de status e modernidade, porm, um fator imperativo para sua adoo a possibilidade dela proporcionar benefcios para seus usurios como segurana, convenincia, acessibilidade e eficincia energtica (CABRAL; CAMPOS, 2008). Esta caracterstica faz com que atualmente a automao residencial seja tendncia em novos empreendimentos imobilirios e alvo de estudos em diversos centros de pesquisa ao redor do mundo que visam melhorar esse processo de automao (MURATORI; BO, 2011).

A automao residencial mesmo proporcionando muitos benefcios para seus usurios possui seu custo de implantao muito elevado, e um dos motivos desse alto custo a necessidade de hardwares especficos para o controle residencial (MOZER, 2005). Para diminuir os valores de implantao da automao residencial, surge a possibilidade de utilizar uma categoria de hardware recente no mundo da computao denominada open-source hardware (OSH), ou hardware livre.

OSHs podem ser definidos como dispositivos eltricos ou mecnicos cujas informaes sobre o projeto so disponibilizadas para todos, de forma que o pblico possa fazer uso, modificar, produzir ou distribuir este material (TAPR, 2007). Essa

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categoria de hardware possui grandes expoentes nos dias atuais, dos quais podem ser citados o Raspberry PI e o Arduino.

Neste artigo ser descrita uma soluo de baixo custo para automao residencial que utiliza OSHs como Arduino e Raspberry PI, visando facilitar o cotidiano das pessoas com ou sem necessidades especiais de acessibilidade.

Este artigo est organizado como segue: na Seo 2 definido o conceito e descritos dois exemplos de open-source hardwares, que so o Raspberry PI e Arduino; na Seo 3 descrito o sistema desenvolvido para automao residencial baseado em open-source hardware; a Seo 4 apresenta os resultados da avaliao do sistema; e por fim as consideraes finais so apresentadas na Seo 5.

2 OPEN-SOURCE HARDWARE

Raspberry PI (EDWARDS, 2013) um microcomputador OSH desenvolvido na Gr-Bretanha de dimenses reduzidas, idealizado sob o paradigma System On a Chip (XUN et al., 2001) com capacidade de processamento suficiente para executar tarefas realizadas por computadores desktop, como processamento de jogos, edio de texto, e planilhas, navegao na internet, entre outros.

Esse microcomputador pode ser adquirido por US$ 25 em sua verso A (sem rede onboard) e por US$ 35 em sua verso B (com rede onboard). A Figura 1 ilustra um Raspberry PI modelo B.

Figura 1 Raspberry PI modelo B.

Fonte: The Raspberry Foundation, 2013.

O Raspberry PI pode executar o sistema operacional direto em um carto SD, o que torna desnecessrio o uso um dispositivo de armazenamento de dimenses maiores que o prprio Raspberry PI como um HD (Hard Disk) externo, por exemplo.

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Contudo possvel acoplar ao Raspberry PI um dispositivo externo de armazenamento de dados.

O Arduino (SARIK; KYMISSIS, 2010) uma placa de prototipao open-source baseado em um microcontrolador muito verstil que permite o controle de vrios dispositivos, e por essa caracterstica muito utilizado em aplicaes de instrumentao embarcada e robtica.

O Arduino UNO ilustrado na Figura 2 e pode ser adquirido por valores que variam de 40 R$ a 80 R$ enquanto outras verses como o Arduino ADK Android, que possui uma interface USB Host para comunicao com dispositivos que utilizam o sistema operacional Android, encontrada por 360 R$.

Figura 2 Arduino Uno.

Fonte: Arduino, 2013.

3 SISTEMA PARA AUTOMAO RESIDENCIAL BASEADO EM OPEN-SOURCE HARDWARE

O sistema para automao residencial baseado em OSH foi desenvolvido de modo distribudo e composto por dois dispositivos computacionais, um servidor (Raspberry PI) e aplicaes clientes (Arduino UNO).

A comunicao entre os componentes do sistema se d via rede Ethernet e todo o software que controla a automao foi desenvolvido especialmente para este projeto.

A linguagem de programao escolhida para o software servidor foi Python, pois fornece instrumentos que facilitam o armazenamento de informaes e a

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comunicao pela rede, enquanto nas aplicaes clientes optou-se pela linguagem nativa do Arduino (Wiring).

Uma viso geral da estrutura do sistema desenvolvido para automao residencial baseado em OSH ilustrado na Figura 3.

Figura 3 Estrutura do sistema para automao residencial baseado em OSH.

O servidor executado por um Raspberry PI, responsvel por manter uma base de dados SQLite que armazena qualquer alterao de estado de execuo dos dispositivos automatizados na residncia.

As aplicaes clientes, a partir da leitura de sensores e de informaes advindas da base de dados, so responsveis pela configurao e pelo monitoramento de um ambiente. Este dispositivo ativado quando detectada a presena de um usurio em sua rea de atuao.

Alm destas caractersticas, a aplicao cliente fornece ao usurio a opo de carregar configuraes personalizadas nos dispositivos da residncia. Essa aplicao executada pelo Arduino UNO, um hardware de baixo custo, verstil e de dimenses reduzidas.

4 RESULTADOS E DISCUSSO

Para comprovar a eficincia da arquitetura descrita na Seo 3 foram elaborados trs experimentos, onde o primeiro permite o controle de um ventilador, o segundo o controle de um televisor e o ltimo experimento permite o controle do sistema de luminosidade de um cmodo. 4.1 Experimento 1 Controle de um ventilador

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Este experimento teve como objetivo permitir que um usurio regulasse a velocidade de um ventilador a partir de controles conectados diretamente ao Arduino UNO. Cada alterao na velocidade do dispositivo foi armazenada em uma base de dados mantida por um Raspberry PI.

Para realizar este experimento foi necessrio montar em um protoboard o circuito ilustrado na Figura 4, contendo dois botes que permitiam ligar e desligar o aparelho, um potencimetro para regular a velocidade do ventilador, pilhas AA de 1,5 V, e um pequeno motor responsvel por atuar como um ventilador. O pequeno motor foi conectado a uma porta PWM (Pulse Width Modulation) do Arduino, esta porta PWM permite a variao da largura de pulsos analgicos em meios digitais.

Figura 4 Esquemtico do circuito de controle do primeiro experimento.

Alm dos equipamentos citados, simulou-se tambm o comportamento de um usurio que era responsvel por alterar a velocidade de rotao do ventilador. A Figura 5 ilustra a montagem do experimento no protoboard.

Figura 5 Imagem do primeiro experimento montado no protoboard.

A Figura 6 ilustra as velocidades que o dispositivo trabalhou durante a realizao do experimento.

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Figura 6 Log da base de dados durante o primeiro experimento.

Depois de concludo o experimento constatou-se que os elementos de hardware utilizados conseguem automatizar o processo de manipulao de um ventilador.

4.2 Experimento 2 Controle de um televisor

O segundo experimento visava permitir que um usurio controlasse um televisor por meio de controles conectados diretamente a um Arduino UNO. Todos os comandos enviados para o televisor foram armazenados em uma base de dados, que por sua vez era mantida por um Raspberry PI.

Para realizar este experimento foi necessrio montar em um protoboard o circuito ilustrado na Figura 7, contendo dois botes que permitiam ligar e desligar o aparelho, trs botes utilizados para manipular o televisor e um emissor infravermelho responsvel por transmitir os comandos codificados para um aparelho televisor real.

Figura 7 Esquemtico do circuito de controle do segundo experimento.

Fez-se necessrio simular o comportamento de um usurio com a funo de alterar as configuraes do televisor durante o experimento. A Figura 8 ilustra a montagem do experimento no protoboard.

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Figura 8 Imagem do segundo experimento montado no protoboard.

A Figura 9 ilustra as alteraes do estado de funcionamento do televisor durante a realizao do experimento.

Figura 9 Log da base de dados durante o segundo experimento.

Depois de concludo o experimento constatou-se que os elementos de hardware utilizados conseguem automatizar o processo de manipulao de dispositivos com maior complexidade de configurao como um televisor.

4.3 Experimento 3 Controle de luminosidade

O ltimo experimento teve como objetivo permitir que um usurio controlasse o sistema de luminosidade de um ambiente por meio de reguladores conectados diretamente a um Arduino UNO. Cada alterao na intensidade de brilho de cada lmpada do sistema foi armazenada em uma base de dados executada por um Raspberry PI.

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Para realizar este experimento fez-se necessrio simular um ambiente contendo um sistema de luminosidade composto por trs lmpadas.

O circuito ilustrado na Figura 10 foi montado em um protoboard contendo um boto para ligar e desligar o sistema de luminosidade do ambiente, um boto responsvel por carregar configuraes pr-definidas, trs LEDs responsveis por simular o comportamento de lmpadas e trs potencimetros que permitiam controlar diretamente a intensidade de brilho das lmpadas.

Figura 10 Esquemtico do circuito de controle do terceiro experimento.

Neste experimento o usurio tinha permisso para alterar a intensidade de brilho de cada lmpada do sistema de luminosidade do cmodo, alm de carregar configuraes pr-definidas armazenadas no hardware utilizado no experimento. A Figura 11 ilustra a montagem do experimento no protoboard.

Figura 11 Imagem do terceiro experimento montado no protoboard.

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A Figura 12 ilustra as alteraes da intensidade de brilho de cada lmpada do sistema de luminosidade durante a realizao do experimento.

Figura 12 Log da base de dados durante o terceiro experimento.

Depois de concludo o experimento constatou-se que os elementos de hardware utilizados conseguem automatizar com xito o processo de controle do sistema de luminosidade de um ambiente.

5 CONSIDERAES FINAIS Este artigo apresentou a utilizao de elementos open-source hardware para

automao residencial e teve o objetivo de apresentar dispositivos computacionais como Raspberry PI e Arduino UNO alm de solues prticas, confiveis e de baixo custo para a automao de residncias. Para comprovar a eficincia dos dispositivos foram realizados trs experimentos de bancada com nveis de dificuldade gradativos, onde foi possvel alterar o estado de um televisor, adaptar a velocidade de um ventilador e configurar o sistema de luminosidade de determinados ambientes. Perante estes experimentos os dispositivos computacionais se comportaram de maneira satisfatria e atenderam os objetivos de cada experimento. Por fim, concluiu-se que o sistema de adaptao de contexto residencial permitiu que ambientes atuassem de maneira proativa, beneficiando o usurio, permitindo que este se concentre na realizao de outras tarefas.

AGRADECIMENTOS

O autor, Eduardo Germano da Silva, agradece Universidade Federal de Santa Catarina pela bolsa de estudos fornecida para a realizao deste projeto.

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