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DESENVOLVIMENTO DE UMA CÉLULA BRAILLE DE BAIXO CUSTO USANDO ARDUINO

MAURÍCIO, LIMA, S.

Universidade Federal Rural do Semi-Árido - UFERSA

Av. Francisco Mota, 572, Bairro Costa e Silva, Mossoró - RN

E-mails:[email protected]

LEONARDO, CASILLO A. DANIELLE, CASILLO S. S.

Laboratório de Arquitetura de Computadores e Sistemas Embarcados - LAACOSTE, Universidade Federal

Rural do Semi-Árido- UFERSA

Av. Francisco Mota, 572, Bairro Costa e Silva, Mossoró - RN

E-mails:[email protected], [email protected]

Abstract This paper aims to develop a low-cost solution to assist in alphabetization of visually impaired people through tactile

reading in Braille. The hardware proposed consists of a prototyping platform Arduino Mega 2560, a print head for dot matrix printer

that is the basis for the assembly of the Braille cell and an SD memory card. The text is available on a memory card, the microcontrol-

ler receives the data, interprets and sends commands to the Braille cell and, through a preprogramed time, the user reads letter to letter

in high relief that can form words and sentences. The tests performed and the results confirmed the faithful reading of Braille system

proving that the cell prototype Braille helps the visually impaired suitably.

Keywords Braille Cell, Arduino, Print Head, Memory Card, Low Cost.

Resumo Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma solução de baixo custo para auxiliar na alfabetização de pessoas com de-

ficiência visual através da leitura táctil em Braille. O Hardware proposto é composto por uma plataforma de prototipagem Arduino

Mega 2560, uma cabeça de impressão de impressora matricial que é a base para a montagem da célula Braille e um cartão de memó-

ria SD. O texto é disponibilizado em um cartão de memória, o microcontrolador recebe os dados, interpreta e envia os comandos para

a célula Braille e, através de um tempo pré-programado, o usuário faz a leitura letra a letra em alto relevo podendo formar palavras e

frases. Os testes realizados e os resultados obtidos comprovaram a leitura fiel ao sistema Braille comprovando que o protótipo da cé-

lula Braille assiste aos deficientes visuais adequadamente.

Palavras-chave Célula Braille, Arduíno, Cabeça de Impressão, Cartão de Memória, Baixo Custo.

1 Introdução

Na sociedade informatizada em que vivemos,

tecnologias intelectuais tornam-se de forma indiscu-

tível um caminho com diversas possibilidades edu-

cacionais e, dentro desta, uma crescente e necessária

utilização de ferramentas no processo educacional de

crianças e adolescentes com deficiências visuais.

Tais ferramentas devem possuir recursos específicos

para auxiliar no aprendizado de pessoas com neces-

sidades especiais, visando à independência.

Os deficientes visuais possuem uma forma assistida

de comunicação escrita, o Braille, um sistema utili-

zado universalmente na leitura e na escrita por pes-

soas cegas inventado na França por Louis Braille1,

um jovem cego, no ano de 1825 (Canejo, 2005).

O sistema Braille é uma escrita em relevo, constituí-

do por 63 sinais codificados por pontos, a partir do

1 Louis Braille nasceu em 04 de janeiro 1809/1852, na cidade de

Coupvray, situada a cerca de 45km de Paris. Devido a um acidente

ao brincar na oficina de seu pai, feriu o olho esquerdo, houve hemor-

ragia e o quadro se agravou até ele perder a visão totalmente aos 5

anos de idade.

conjunto matricial formado por 6 pontos, distribuí-

dos entre duas colunas.

Diferentemente da leitura visual, que capta palavras

inteiras e informações quase que instantaneamente,

podendo o texto ser percorrido com agilidade se-

guindo uma linha sem esforço, o deficiente visual lê

essencialmente um caractere por vez. De forma ge-

ral, um dedo principal, geralmente o indicador, é

utilizado para a leitura. Esse mesmo dedo tem que se

movimentar por cima das “celas” ou células, lendo-

as uma a uma de forma linear, e não em paralelo,

diferentemente da visão (Saturno, et al. 2013).

Existem diversas pesquisas na área de Interface Ho-

mem Computador (IHC) com o objetivo de possibili-

tar a utilização de equipamentos eletrônicos pela

população em geral. A IHC é uma área da Engenha-

ria/Informática que busca oferecer eficientes meios

de comunicação entre computadores e seres huma-

nos. Para essa comunicação, os projetistas de inter-

faces procuram explorar os diversos sentidos huma-

nos, com a finalidade de prover uma comunicação

eficaz e prazerosa para os usuários. Em programas

de computadores e aplicativos eletrônicos é comum o

uso de imagens e mensagens sonoras. O problema

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

3986

desses “paradigmas” de projeto de interfaces é que

estes não consideram em primeira instância os usuá-

rios portadores de necessidades especiais (Da Rocha;

Baranauskas, 2003).

Com relação ao alfabeto Braille, existem displays

disponibilizados no mercado que possuem dimen-

sões que comportam desde uma única célula até li-

nhas de 80 células. A maioria comporta entre doze e

vinte células por linha. Esse equipamento é pouco

usado no Brasil, principalmente devido ao seu alto

custo, sendo que os mais simples chegam a custar

cerca de cinco mil dólares (Queiroz, 2014). Além

disso, em um display Braille de vinte células, en-

quanto um deficiente visual está lendo um caractere,

os outros dezenove estão ociosos, pois não estão sen-

do lidos com os outros dedos.

É sabido da dificuldade em se obter livros em Brail-

le, principalmente em regiões mais carentes e em

escolas públicas. Assim, o objetivo deste trabalho é

criar uma solução de baixo custo para possibilitar a

leitura em Braille e auxiliar na alfabetização e edu-

cação de crianças e adultos com deficiência visual.

Diante do exposto, este trabalho propõe um disposi-

tivo, conhecido como “Célula Braille”, para apresen-

tação em alto relevo de textos em Braille. Este equi-

pamento foi desenvolvido artesanalmente utilizando

uma cabeça de impressão de impressora matricial,

uma plataforma de prototipagem Arduino e um lei-

tor de carão de memória tipo SD2 (Secure Digital).

A Célula Braille projetada visa a inclusão de pessoas

cegas, oferecendo um amplo uso por meio do projeto

e construção de um leitor de baixo custo utilizando

materiais reutilizados.

Desta forma, este trabalho busca fazer com que uma

pessoa com deficiência visual possa praticar a leitura

sem a necessidade de impressões em papel, (redução

de custos) possibilitando uma leitura táctil em que o

usuário poderá identificar letra a letra e assim for-

mar palavras e frases.

2 Plataforma Arduino

Arduino é uma plataforma de prototipagem ele-

trônica livre de baixo custo baseado em hardware e

software livres, flexíveis e fáceis de usar. É destina-

do a estudantes, projetistas, designers e demais pes-

soas interessadas em criar projetos ou ambientes

interativos (Banzi, 2011). A prototipagem rápida de

projetos simplifica o processo de criação, testes e

utilização de placas de circuito impresso e reduz

complexidades de programação e eletrônica.

A placa Arduino pode interagir com o ambiente ex-

terno recebendo em suas entradas sinais provenien-

tes de sensores, como temperatura, pressão, umida-

de, dentre outros, processar dados (recebidos) em um

microcontrolador e disponibilizar os valores resul-

2 SD é o acrônimo de Secure Digital e descreve os dispositivos com-

patíveis com as normas SD para cartões de memória não volátil.

tantes de volta ao ambiente por meio do acionamen-

to de atuadores.

Os projetos open sources são aqueles criados para o

domínio público, ou seja, que podem ser modificados

e aprimorados por outras pessoas conforme suas

necessidades, de modo que outros usuários possam

usufruir dessas mudanças em seus próprios projetos

(Ferreira, 2005).

Isto propicia uma variedade de modelos de Arduino,

que se diferenciam com relação a quantidade de

memória SRAM, EEPROM ou Flash disponível,

número de pinos de E/S digitais e analógicos, fre-

quência do processador, consumo energético ou fun-

cionalidades exclusivas (como por exemplo modelos

que contém interfaces de rede ou interface para co-

municação com sistemas de computação como dis-

positivos móveis).

Para este trabalho, foi escolhido o Arduino Mega

2560, visualizado na Figura 1, no qual é portado de

um microcontrolador ATMega2560, fabricado pela

ATMEL, 54 pinos de E/S digitais, 16 entradas ana-

lógicas, 4 UARTS (portas seriais de hardware), 256

KB memória Flash, 8 KB SRAM, um oscilador de

cristal de 16 MHz, pinos de alimentação (5 V, 3,3 V

e Terra), porta USB para conexão com o computador

e conector jack para alimentação externa (de 7 à 12

V), além de um conversor A/D de 10 bits para tra-

tamento dos valores provenientes das entradas ana-

lógicas. Este modelo contém a quantidade de pinos e

memória suficientes para a implantação do disposi-

tivo proposto.

Figura 1. Arduino Mega 2560

A programação do Arduino é feita por meio de uma

linguagem de programação própria, baseada em

Wiring, que é um sub-conjunto das linguagens C e

C++. Esta linguagem é implementada em um ambi-

ente de desenvolvimento (IDE) próprio, baseado em

Processing, utilizado em sistemas operacionais

Windows, Mac e Linux (Gioppo et al., 2009).

É possível inserir funcionalidades extras conectan-

do-se placas adicionais ao Arduino chamadas Shi-

elds, cuja finalidade é expandir sua capacidade. Co-

mo exemplo, podem ser utilizadas Shields para pro-

ver comunicação Ethernet, Bluetooth, Wi-Fi e con-

troladores para GPS. No entanto, é possível criar e

desenvolver placas de circuito impresso que propici-

am estas novas funcionalidades sem a necessidade

de adquirir tais componentes.


3987

Frente a outros modelos de microcontroladores e

microprocessadores, como por exemplo, PIC, 8051,

DSP’s e CLP’s, o Arduino apresenta-se como uma

solução de baixo custo, voltado para aplicações dedi-

cadas que não necessitam de um alto poder de pro-

cessamento, como é o caso deste projeto, além de ser

um dispositivo que oferece uma facilidade de inte-

gração com sensores, atuadores e demais dispositi-

vos mecânicos, analógicos e digitais.

3 Metodologia

Com o objetivo de mediar a leitura Braille,

principalmente por pessoas com deficiência visual,

buscou-se desenvolver uma estrutura mecânica que

fosse capaz de formar caracteres em alto relevo, co-

mo uma célula Braille, baseando-se na reutilização

de materiais considerados lixo eletrônico.

Tal célula é composta por seis pinos, em relevo, dis-

postos em duas colunas de três pontos. As letras são

formadas por meio de diferentes combinações destes

pontos. A Figura 2 mostra um exemplo de duas des-

tas combinações: o ponto 1 de forma isolada repre-

senta a letra “a”, já os pontos 1, 2 e 5 juntos repre-

sentam a letra “h” (Canejo, 2005).

Figura 2. Exemplo de representação de letras em Braille

A identificação do texto pelo Arduino é realizada

letra a letra. Para cada caractere recebido, o micro-

controlador processa a informação e seleciona quais

pinos da célula de impressão deve acionar. O siste-

ma contém 6 pinos de impressão, nomeadas de c1 a

c6, dispostos como ilustra a Figura 3.

Figura 3. Células de impressão

De forma análoga a um decodificador de um display

de 7 segmentos, cada célula é associada às letras das

quais o seu uso é necessário. Como citado anterior-

mente, para apresentação da letra “a” é necessário

que somente o primeiro pino de impressão (c1) seja

ativado, enquanto que a letra “h” necessita que os

pinos c1, c2 e c5 sejam ativados ao mesmo tempo.

Dessa forma, utilizou-se um esquema de linhas con-

tendo determinados caracteres associados às células

de impressão para identificação das letras, como

mostra o Quadro1.

Quadro 1. Correspondência entre caracteres e pinos

Seguindo este esquema de decodificação, nota-se que

a letra “a” está presente apenas na linha 1 (//in c1),

assim para esta letra é acionado pino de saída do

Arduino conectado a c1. Já a letra “b” está presente

nas linhas 1 e 2, resultando na ativação dos pinos

correspondentes à c1 e c2.

Cada pino da cabeça de impressão foi associado a

uma porta digital de saída do Arduino, de acordo

com a sequência apresentada no Quadro 2. Cada

porta digital pode receber os valores HIGH (5 V) ou

LOW (0 V).

Quadro 2. Correspondência entre pinos e portas do Arduino

Quando uma letra é identificada, dependendo de

qual linha esta se encontra, o Arduino ativa a porta

de saída a qual esta ligado o pino referente a esta

linha enviando um sinal de 5 V e desativa as linhas

restantes enviando 0 V.

O funcionamento da célula Braille ocorre da seguin-

te forma: cada pino da célula funciona com o auxílio

de um dispositivo eletromagnético. Para acionar um

pino, é necessário enviar um valor de tensão para a

bobina, fazendo com que esta gere um campo ele-

tromagnético. Este campo eletromagnético atrai uma

pequena haste de metal, e esta haste de metal por

sua vez, eleva um pino da célula Braille. A Figura 4

apresenta este dispositivo.

“abcdefghklmnopqruvxyz” //in c1

“bfghijlpqrstvw” //in c2

“klmnopqrstuvxyz” //in c3

“cdfgijmnpqstwxy” //in c4

“deghjnoqrtwyz” //in c5

“uvwxyz” //in c6

Pino 1 = c1 porta 31







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Figura 4. Célula Braille

Diante do alto custo em se adquirir uma célula

Braille, esta foi produzida de forma artesanal a par-

tir de outro hardware, neste caso uma cabeça de im-

pressão de impressora matricial. Sua estrutura inter-

na é composta por 9 (nove) bobinas magnéticas on-

de, destas, 6 (seis) foram utilizadas.

Para a confecção dos pinos e da guia para os pinos,

foi utilizado um material plástico denominado tec-

nil, visto que o mesmo possui alta durabilidade e

resistência. A Figura 5 esboça uma visão lateral da

célula Braille.

Figura 5. Célula Braille

Foram utilizadas seis agulhas de metal, nas quais

fixaram-se pinos de tecnil com 1,6 mm de diâmetro.

Quando ativada, a agulha eleva-se 0,8 mm em rela-

ção a uma guia de tecnil (uma peça com furos que

delimita as distâncias entre cada pino).

Na construção da célula objetivou-se atender às es-

pecificações de dimensões e distâncias padrões entre

pinos (GESTA, 2012). A Figura 6 esboça o esquema

de uma das bobinas de elevação.

Figura 6. Bobina que aciona pino da célula Braille

Uma característica deste equipamento eletromecâni-

co é que o seu funcionamento necessita de uma cor-

rente elétrica elevada se comparada ao Arduino.

Assim este, sozinho, não é capaz de ativar as bobi-

nas, pois suas portas possuem máximo de 40 mA,

sendo necessário mais que 1000 mA. Desse modo,

foi necessário utilizar um circuito eletrônico auxiliar

que é ativado por meio do sinal elétrico do Arduino.

Como apresentado na Figura 7, este circuito elétrico

é formado por 6 transistores TIP 41 e 6 resistores de

100 Ohm, onde cada par transistor / resistor é res-

ponsável por acionar um único pino.

Figura 7. Circuito eletrônico auxiliar.

Neste projeto foi utilizada uma protoboard para

acomodar os componentes do circuito desenvolvido

que interliga as portas digitais do Arduino à Célula

Braille. No entanto, tal circuito pode ser impresso

em uma placa de forma artesanal. A Figura 8 apre-

senta uma possível configuração para a confecção de

uma placa de circuito impresso para tal finalidade.


3989

Figura 8. Esquema eletrônico para impressão em placa

O processo de obtenção dos textos pelo sistema se

inicia a partir da leitura de um arquivo de texto no

formato text.txt, contido em um cartão de memória

do tipo SD.

Para o uso de um cartão SD, existem duas alternati-

vas: (1) adquirir um módulo Shield SD ou (2) com-

por o circuito por meio de uma placa de circuito

impresso ou protoboard para as conexões entre o

Arduino e o cartão. Para este trabalho, foi utilizada a

segunda alternativa, em virtude da redução de cus-

tos. Neste procedimento, faz-se necessários alguns

conhecimentos sobre o funcionamento do dispositi-

vo, como a tensão de alimentação em 3,3 V, e o dia-

grama esquemático contendo a pinagem do cartão

SD3. A figura 9 mostra o dispositivo de leitura de

cartão SD.

Figura 9. Dispositivo de leitura de cartão SD

Os cartões SD comunicam-se através de uma Inter-

face Periférica Serial (SPI – Serial Peripheral Inter-

face), um protocolo síncrono que permite a um dis-

positivo mestre iniciar a comunicação com um dis-

positivo escravo.

O Arduino nomeia os pinos de entrada e saída como

MOSI (Master Out Slave In) e MISO (Master In

Slave Out). Para prover o sincronismo, o sinal de

clock (pino SCK) pode ser gerado somente pelo mes-

tre, e este sinal controla quando os dados podem

mudar e quando são válidos para leitura. Por permi-

tir vários escravos, o SPI precisa controlar qual deles

está sendo acessado, e o faz com um sinal SS (Slave

Select), configurado como saída no Arduino para

que este atue como mestre.

3 SD-ARDUINO: http://www.paulotrentin.com.br/eletronica/data-

logger-sdmmc-com-arduino/

Os Arduinos baseados no chip Atmega2560, como o

Arduino MEGA, implementam o protocolo SPI nos

pinos 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK) e 53 (SS).

Para operações de leitura, são utilizados 7 pinos na

conexão entre memória e Arduino, sendo os 4 pri-

meiros citados acima juntamente com os pinos de

alimentação (5 V) e terra (GND). Também são ne-

cessários resistores para atuarem como divisores de

tensão, visto que os cartões SD trabalham com 3,3 V

de tensão. A Figura 10 apresenta o esquema elétrico

entre o Arduino e o cartão SD (Trentin, 2011).

Figura 10. Integração entre o Arduino e o cartão SD

O protótipo completo da Célula Braille, chamado

“Conversor Braille”, é apresentado na Figura 11.

Figura 11. Protótipo completo do conversor Braille

Para a alimentação do dispositivo como um todo,

foram utilizadas duas baterias de 3,6 V, que podem

ser substituídas por uma fonte de tensão correspon-

dente à soma das duas baterias interligadas em série.

Não é recomendado utilizar a alimentação elétrica a

partir da porta USB de um PC ou notebook devido a

baixa amperagem gerada pela USB, que influencia

no funcionamento dos demais componentes do cir-

cuito, além da dependência desnecessária do compu-

tador.

Outro dispositivo presente no conversor é um display

cujo objetivo é permitir a verificação de alguns as-

pectos do funcionamento do sistema. Neste são apre-

sentadas informações relacionadas à inicialização do

sistema, bem como o caractere correntemente lido e

a ser apresentado na célula Braille, possibilitando,


3990

por exemplo, a um professor de Braille verificar se

as letras são correspondentes.

4 Resultados

Para a realização de testes, foram utilizadas 26

letras minúsculas do alfabeto. No entanto, com a

Célula Braille de 6 (seis) pinos é possível formar até

63 informações, sejam sinalizadores, letras maiúscu-

las ou minúsculas, números ou pontuações.

Por meio da execução do sistema pôde-se verificar

que o Conversor Braille desempenhou as funções

esperadas, que são: leitura de informações textuais a

partir de uma memória, conversão em sinais analó-

gicos e apresentação das informações na Célula de-

senvolvida em forma de caracteres Braille. Além

disso, constatou-se também que o tempo de apresen-

tação ocorre de forma instantânea.

No teste realizado, em especifico, quando encontra-

do algum caractere diferente das 26 letras utilizadas,

todos os pinos da célula são desativados. Todavia,

mais caracteres podem ser traduzidos, bem como,

uma configuração de pinos pode ser definida para

sinalizar um caractere desconhecido.

A leitura e impressão de cada letra na Célula Braille

pode ser realizada de forma manual, a partir do aci-

onamento de um botão, ou automática definindo-se

um intervalo de tempo entre cada letra na programa-

ção do Arduino. Para os testes realizados, foi utili-

zado um intervalo de 2 segundos. Desta forma,

quando houver uma pausa de 4 segundos para a lei-

tura da próxima letra, significa que foi encontrado

um espaço em branco ou uma quebra de página.

5 Conclusões

Diante da necessidade contínua de melhoria de

vida tanto para pessoas sem necessidades especiais

quanto para pessoas com algum grau de deficiência,

algumas tecnologias tornam-se alternativas. Este

trabalho buscou prover acessibilidade a pessoas com

deficiência visual por meio do desenvolvimento de

um sistema que provê a apresentação de textos digi-

tais em alfabeto Braille.

O dispositivo denominado Célula Braille possui ca-

racterísticas como baixo custo de aquisição, integra-

ção com dispositivos e facilidade de utilização, fren-

te a outros modelos mais robustos mas que possuem

um custo muito elevado.

O dispositivo foi projetado a partir de peças conside-

radas atualmente lixo eletrônico, como cabeças de

impressora matriciais, placas de circuito impresso

artesanais e plataformas de prototipagem de baixo

custo e fácil programação.

Como trabalhos futuros, sugerem-se a validação do

Conversor Braille com pessoas que possuam defici-

ência visual, bem como o acréscimo de funcionali-

dades do sistema, com a integração de mais caracte-

res e dispositivos de áudio-descrição.

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