SISTEMA DE AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL DE BAIXO CUSTO...

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ - IFCE

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E INOVAÇÃO - PRPI

SISTEMA DE AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL DE BAIXO CUSTO

UTILIZANDO O ESP8266

ROBSON TAVEIRA GONÇALVES DA SILVA(1.1);CELESTINO GABRIEL SANTOS OLIVEIRA(1.2)

DANIEL CALVACANTE MENDES(1.3)

ALLAN KELVIN MENDES DE SALES(2)

Bolsista(1.1); IFCE, Juazeiro do Norte; http://ifce.edu.br/juazeirodonorte.

Bolsista(1.1); IFCE, Juazeiro do Norte; http://ifce.edu.br/juazeirodonorte. Bolsista(1.1); IFCE, Juazeiro do Norte; http://ifce.edu.br/juazeirodonorte.

Orientador(2); IFCE, Canindé; http://ifce.edu.br/canide.

1. RESUMO: Este trabalho tem objetivo o desenvolvimento de um sistema de automação

residencial (domótica) sem fio, utilizando o microcontrolador embarcado de baixo custo

ESP8266, a linguagem de marcação HTML, com esta tecnologia foi elaborado um software

para interface com o usuário IHM, e a tecnologia wifi característica do próprio

microcontrolador. Foi realiza estudos de circuitos eletrônicos para alimentação do sistema e

acionamento da carga para desenvolver um protótipo. Após o desenvolvimento de um

protótipo foi possível realizar testes de viabilidade e estabilidade do sistema em algumas

situações, alguns dos testes foi realizado em apresentações em feiras cientificas. Os testes

revelaram que o sistema é estável, possui um longo alcance, um rápido tempo de resposta,

mas ainda apresenta problemas de natureza estrutural a serem resolvidos, mais

especificamente o tamanho total do circuito final, que ainda é grande demais para inserir em

um TUG comum. Assim, fica a proposta de trabalho futuro pesquisar circuito eletrônico

para esta finalidade.

PALAVRAS-CHAVE: Domótica Sem Fio, Rede Wi-fi, ESP8266, Internet das coisas.

2. INTRODUÇÃO

Desde a década de 80, a automação residencial tem crescido em força e expressão

por todo o mundo, com o advento da internet e do computador pessoal, uma nova cultura de

acesso à informação foi criada, permitindo assim o surgimento de projetos de automação

residencial e predial de pequeno e médio porte. (BOLZANI, 2004)

O alto custo, falta de padronização de protocolos de comunicação e de sistemas

assim como a dificuldade de implementação dessa tecnologia em estruturas pré-existentes,

porém, dificultam a difusão e popularização desse tipo de sistema para uma quantidade

maior de pessoas. (MAINARDI; BANZI; BOFIÉ; BEGHELLI, 2005)

Uma tecnologia recente que possui a capacidade de resolver esses problemas é o

microcontrolador ESP8266, um circuito integrado que integra todas as funcionalidades de




um Arduino ou PIC, com a versatilidade e o poder de um módulo Wifi em um mesmo

circuito.

Através de um estudo sobre a estrutura e utilização deste microcontrolador, pretende-

se criar um sistema de automação residencial não intrusivo, de fácil instalação e utilização,

capaz de automatizar toda uma residência, sendo necessário para isso apenas a substituição

de interruptores e TUG’s.

Nesse sentido, uma pesquisa na literatura e um estudo cuidadoso e aprofundado das

tecnologias que serão utilizadas se faz necessário, bem como uma fase de testes com

protótipos de forma a compreender e testar o funcionamento do circuito e a validade desta

hipótese.

3 METODOLOGIA/RESULTADOS

Este capítulo apresenta os materiais e métodos utilizados para execução do projeto,

onde se destaca o funcionamento de protótipo proposto através de uma análise do seu

circuito elétrico e dos componentes eletrônicos que constitui.

3.1 – ESP8266

Inicialmente realizou-se um estudo do microcontrolador ESP8266, de suas

funcionalidades, características físicas e eletrônicas assim como de suas diversas formas de

uso.

EPS8266 é o nome de um sistema embarcado projetado pela Espressiff Systems. O

ESP8266 se define como uma solução de redes Wi-fi autossuficiente se oferecendo como

uma ponte entre um micro controlador pré-existente e a rede com sinal Wi-fi, e que também

é capaz de executar aplicações de maneira independente. (KOLBAN, 2015).

Existem vários tipos de modelos de placas disponíveis, porém, é importante notar

que existe apenas um processador ESP8266 e ele é encontrado em todas as suas variações.

O que diferencia uma placa de outra é o número de pinos GPIO expostos, a quantidade de

memória flash disponível, o estilo de pinos conectores e várias outras considerações

relacionadas a sua construção. De um ponto de vista de programação, eles são todos iguais.

(KOLBAN, 2015)

Os diversos tipos e modelos do microcontrolador Esp8266 podem ser observados na

figura 1.




Figura 1 - Diversos modelos de Esp8266 disponíveis no mercado.

Fonte: https://blog.butecopensource.org/conheca-o-esp8266-um-modulo-wifi-por-menos-de-5-dolares/.

Dessa maneira, a primeira atividade para essa pesquisa é a escolha do modelo a ser

utilizado, pois um modelo com GPIO’s demais geraria gastos desnecessários, assim como

um modelo com poucas GPIO’s tornaria a execução do projeto impossível.

Após cuidadoso estudo e pesquisa, decidiu-se pela utilização do ESP-07, pela sua

grande quantidade de pinos GPIO disponíveis (são 16 nessa versão), pelo seu baixo preço

de aquisição (em torno de R$ 10,00), pelo seu tamanho reduzido (22 mm x 16 mm), pela

facilidade de programação (é possível utilizar a IDE do Arduino para tal), pela sua

flexibilidade (pode funcionar em Stand Alone ou como ponte entre a internet e um micro

controlador secundário), e pelo seu grande raio de alcance para a rede wifi (cerca de 100

metros sem obstáculos e 25 metros com obstáculos). A figura 2 mostra o microcontrolador

ESP8266 em seu modelo 07.

Figura 2 – Microcontrolador ESP8266 – modelo 07.

Fonte: http://www.dx.com/pt/p/esp-07-esp8266-uart-serial-to-wi-fi-wireless-module-with-built-in-antenna-for-arduino-

raspberry-pi-375400#.V7iJIjVIRf4.

3.2 – Circuitos de acionamento

Após decidir qual o modelo que seria usado, o próximo passo é projetar o circuito

que acompanhará o microcontrolador no circuito final. Após uma análise detalhada das

opções que poderiam possivelmente atender às necessidades do projeto, optou-se por um




circuito de detecção de fase, cujo esquema é mostrado na figura 3, um circuito de

acionamento de cargas por relés, cujo esquema é mostrado na figura 4, e um circuito de

alimentação para todos os outros circuitos, cujo esquema é mostrado na figura 5.

Figura 3 – Circuito de detecção de Fase.

Fonte: Própria.

A função do circuito de detecção de fase é simples, ele detecta se o interruptor está

ligado ou não. Se estiver, ele envia o sinal para o microcontrolador para que este acione a

lâmpada, possibilitando assim que uma carga acionada por interruptor seja acionada tanto

via internet, quanto de forma manual.

Figura 4 – Circuito de acionamento de cargas por relé.

Fonte: Própria.

O circuito de acionamento de cargas por relé possui o único e exclusivo trabalho de

acionar as cargas indicadas pelo microcontrolador. O Esp8266 recebe um pulso do circuito




de detecção de fase, ou uma instrução via internet e aciona o relé correspondente,

energizando a carga desejada.

Figura 5 – Circuito de Alimentação.

Fonte: Própria.

A função desse circuito é simples, ele alimenta os demais circuitos que constituem o

produto final, além de isolá-los da rede elétrica através de um transformador. Sua estrutura

básica é a de um retificador de onda completa em ponte com filtro.

Porém, a confecção de um protótipo do produto final ainda não era possível nos

estágios iniciais do projeto, quando ainda haviam muitas perguntas sem resposta e

problemas sem solução.

Por isso, optou-se pela utilização da placa didática de desenvolvimento do Esp8266

para a realização de testes de programação e estudo de parâmetros do chip. A figura 6

mostra a placa didática de desenvolvimento do Esp8266.

Figura 6 – Placa didática de desenvolvimento do Esp8266.

Fonte: http://br-arduino.org/2016/02/wemos-d1-versao-2-atualizacao-do-uno-com-esp8266-ja-tem-clones-no-dx.html.




Ao decidir tudo isso, e com a placa em processo de manufatura, precisamos aprender

a programar esse microcontrolador. Para isso, como mencionado anteriormente, utiliza-se a

IDE do Arduino com a instalação de um plugin específico para essa tarefa.

Inicialmente considerou-se utilizar um aplicativo android para realizar a interação

entre homem e máquina, mas isso limitaria sua utilização e tornaria a programação mais

complicada.

Por conta disso, optou-se por utilizar uma página html na comunicação com o

microcontrolador. Tornando assim o sistema acessível a qualquer um que possua um

dispositivo com acesso a um navegador de internet.

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Após algum tempo de pesquisa, finalmente conseguimos produzir um protótipo

funcional do produto final integrando todos os circuitos necessários para o funcionamento

de um dos módulos do sistema, exceto pelo circuito do módulo relé.

Na figura 7 vemos uma imagem do circuito protótipo que foi confeccionado como

resultado de todo esse tempo de pesquisa.

Figura 7 – Circuito protótipo do produto final sem o circuito de acionamento dos relés.

Fonte: Própria.

Devido ao fato de que não foi possível encontrar relés de tamanho menor do que os

que já possuíamos, o módulo de acionamento dos relés teve que ser confeccionado em




separado. Na figura 8 é possível ver o resultado do circuito protótipo do módulo de

acionamento dos relés.

Figura 8 – Circuito protótipo de acionamento dos relés.

Fonte: Própria.

O funcionamento do sistema é bem simples, inicialmente o Esp8266 gera uma rede

Wifi, à qual o usuário se conecta através de um dispositivo qualquer com suporte à conexão

wifi.

Após isso, o usuário acessaria a interface do usuário criada pelo Esp8266, faria login

no sistema utilizando um usuário e senha padrão, como mostra a figura 9.

Figura 9 – Tela de login do sistema.

Fonte: Própria.

Ao fazer login, o usuário finalmente teria acesso à tela de início, onde poderá

finalmente começar a controlar o sistema, como mostra a figura 10.




Figura 10 – Página Inicial.

Fonte: Própria.

Nessa tela o usuário pode escolher entre acessar a interface de acionamentos, onde

ele pode escolher qual carga da residência ele irá acionar como mostra a figura 11, de

cenários, onde ele pode configurar diversos cenários de acionamento diferentes para a

residência, como mostra a figura 12, e de configurações, onde ele pode alterar a

configuração do microcontrolador entre ponto de acesso ou estação e conectá-lo à sua

própria rede local, como mostra a figura 14, ou até mesmo desconectar do sistema.

Figura 11 – Página de acionamento de cargas.

Fonte: Própria.




Figura 12 –V Página de acionamento de cenários.

Fonte: Própria.

Detalhe nessas figuras para as engrenagens do lado dos botões. Na página de

acionamentos essas engrenagens servem para mudar o nome de cada botão, e na página de

acionamento de cenários, elas levam o usuário para a página de configuração de cenário,

onde ele pode configurar quais cargas ele quer acionar ao mesmo tempo ao apertar o botão,

como mostra a figura 13.

Figura 13 – Página de configuração do cenário.

Fonte: Própria.




Figura 14 – Página de configuração do Esp8266.

Fonte: Própria.

Na página de configurações, o usuário pode, para sua conveniência, conectar o

Esp8266 à sua própria rede local, simplesmente inserindo o nome de sua rede, a senha da

mesma e configurando o microcontrolador para modo de Estação.

Dessa maneira qualquer dispositivo conectado à rede local da sua residência poderá

controlar os dispositivos através de um navegador de internet, tornando o controle do

sistema simples, conveniente e eficiente. Com a sua interface de simples utilização e fácil

aprendizado e instalação, qualquer pessoa pode utilizar o sistema sem complicações.

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O uso da placa de desenvolvimento permitiu efetuar os testes iniciais necessários

para verificar os acionamentos de cargas e do funcionamento da rede interna de wifi. Com a

criação da placa de protótipo do sistema de domótica averiguou-se o desempenho do

sistema e a facilidade de uso das páginas embarcadas no sistema. Após os testes, constatou-

se que o sistema é funcional e promissor. No entanto, ainda não é possível inserir o circuito

inteiro dentro da caixa de um interruptor ou TUG. Dessa maneira, fica como proposta de

trabalhos futuros a pesquisa de circuitos eletrônicos com elementos SMD. Por fim a

pesquisa obteve sucesso no desenvolvimento de protótipo de circuito para criar um produto

de fácil instalação, não intrusivo, barato, e de simples utilização.




5. REFERÊNCIAS

BOLZANI, Caio A. M. Residências Inteligentes: um curso de Domótica. São Paulo:

Livraria da Física, 2004.

MAINARDI, E., BANZI, S., BONFIÈ, M. e BEGHELLI, S., A low-cost Home

Automation System based on Power-Line Communication Links, 22nd International

Symposium on Automation and Robotics in Construction, ISARC, Ferrara, Itália 2005.

KOLBAN, Neil. Kolban's Book on ESP8266.Texas, USA. 2015.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10520: apresentação de

citações em documentos. Rio de Janeiro, 2002a.

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