Automatização de Ambientes Inteligentes: Controle com Microcontroladores PIC, Notas de estudo de Mecatrônica

Baixe Automatização de Ambientes Inteligentes: Controle com Microcontroladores PIC e outras Notas de estudo em PDF para Mecatrônica, somente na Docsity! SISTEMA MICROCONTROLADO DE AUTOMAÇÃO DE AMBIENTES COM SUPERVISÓRIO DE BAIXO CUSTO Renato William Rodrigues de SOUZA (1); Sandro César Silveira JUCÁ (2); Emannuel Diego Gonçalves de FREITAS (3); (1) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará. Av. Contorno Norte, 10;CEP 61939-900 - Maracanaú, CE - Brasil;Telefone: (85) 38786300, e-mail: renatowilliam21@gmail.com; (2) IFCE,e-mail: sandrojuca@cefet-ce.br (3) IFCE, e-mail: emannueldiego@gmail.com RESUMO Com os avanços na área da automação é comum perceber suas aplicações e benefícios em nosso cotidiano. Estes avanços tornam viáveis as construções dos chamados “Ambientes Inteligentes”, ou seja, ambientes dotados de sensores, controladores e atuadores capazes de interagir e se adaptar à presença de usuários, facilitando as operações e otimizando as condições operacionais. No presente artigo é apresentada uma proposta de automação capaz de acionar e controlar equipamentos eletroeletrônicos, como lâmpadas, motores e atuadores. Neste trabalho é utilizado controle baseado em microcontroladores da família PIC, conta com um supervisório de baixo custo e uma interface gráfica do sistema, que permite ao usuário a possibilidade de interagir naturalmente com o cenário automatizado, bem como adquirir dados deste sistema. O principal objetivo deste trabalho é possibilitar o controle dos diferentes aparelhos e equipamentos eletroeletrônicos em um ambiente onde seja necessária a supervisão de forma centralizada e/ou remota, proporcionando comodismo e praticidade ao usuário. Tal arquitetura é validada através de um protótipo que utiliza como cenário uma sala automatizada. Palavras-chave: Automação de Ambientes, Sistemas Microcontrolados, Supervisório de baixo custo. 1. INTRODUÇÃO Atualmente, com o avanço tecnológico, a automação tornou-se possível em todas as áreas. Praticamente todos os ambientes podem ser parcial ou totalmente automatizados, proporcionando de uma maneira geral, maior segurança, agilidade, economia, conforto e um conseqüente aumento de qualidade de vida. O surgimento do microcontrolador contribuiu enormemente para a disseminação da automação, principalmente fora dos ambientes industriais. Com a utilização de microcontroladores, projetos envolvendo automação de ambientes tornaram-se bastante facilitados, pois somente um microcontrolador pode substituir circuitos eletrônicos contendo um grande número de outros componentes (CARMO, 2005). Na automação de diferentes tipos de ambientes podem ser utilizados vários métodos e equipamentos, fornecendo a habilidade de realçar estilos de vida próprios. Trata-se de uma integração de vários equipamentos e processos, que têm por finalidade deixar mais cômoda e de fácil controle a vida dos usuários, sistema esse inteligente, programável e centralizado, podendo ser adaptado e controlado pelo próprio usuário. Cada nova tecnologia traz um novo vocabulário. Quando o assunto é residência, não é diferente: casa automática, casa inteligente, automação residencial, domótica, entre outros (BOLZANI, 2004). Este trabalho tem por finalidade desenvolver um protótipo de um Sistema Microcontrolado de Automação de Ambientes com Supervisório, demonstrando a viabilidade e eficácia levando em conta a comodidade, segurança e economia dos recursos fornecidos. A implantação desse sistema permite ao usuário o controle dos equipamentos integrados, o qual é informado em tempo real, através do sistema supervisório sobre algum tipo de disfunção dos equipamentos instalados. Caso haja uma alteração dos parâmetros pré- estabelecidos, o próprio software deve intervir de forma eficaz para restabelecer os padrões, ou avisar sobre a necessidade de possíveis correções. O projeto tem como objetivos específicos o desenvolvimento de um protótipo com os componentes necessários e o desenvolvimento de um software que permita uma comunicação eficiente entre o microcontrolador e o supervisório, além de processar os sinais provenientes dos sensores utilizados. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O sistema é composto basicamente por um microcontrolador PIC18F2550, uma memória EEPROM (memória eletricamente reprogramavel), um relógio em tempo real (RTC), que se comunicam utilizando o protocolo de comunicação serial I2C e sensores distribuídos nos ambientes, juntamente com atuadores. (MICROCHIP, 2009). O canal “USB” (Universal Serial Bus) é utilizado por um computador para a configuração do relógio “RTC”, para realizar o resgate dos dados da memória “EEPROM” externa através da emulação de uma porta serial virtual, bem como a leitura de dados obtidos pelos sensores e a possível intervenção pelos usuários através do supervisório, além da gravação e atualização do firmware do microcontrolador. Este sistema de automação é caracterizado por possuir aplicação geral para dados analógicos e digitais, pela simplicidade de hardware e consequentemente, baixo custo. 2.1. Microcontrolador (µC) Um microcontrolador (µC) também conhecido como MCU é um chip em que dentro de seu invólucro reside um computador contendo processador, memória, e funções de entrada e saída. É um microprocessador que prioriza alta integração. Relacionando os elementos usuais de lógica e aritmética dos microprocessadores convencionais, o microcontrolador integra elementos adicionais em sua estrutura interna, como memória de leitura e escrita para armazenamento de dados, memória somente de leitura para armazenamento de programa, memória EEPROM para armazenamento permanente de dados, dispositivos periféricos como conversores analógico/digitais “ADC”, conversores e digitais/analógicos “DAC” em alguns casos; e interfaces de entrada e saída de dados (E/S). O modelo escolhido para o sistema de automação foi o microcontrolador PIC 18F2550 que possui, entre outras características, a comunicação pelo canal USB, 32 kbytes de memória flash, 1536 bytes de memória RAM e 256 bytes de memória EEPROM interna. 2.5.2. Sensor de temperatura LM-35 O sensor LM35 é um sensor de precisão, que apresenta uma saída de tensão linear relativa à temperatura em que ele se encontrar no momento em que for alimentado por uma tensão de 4-20vdc e GND, tendo em sua saída um sinal de 10mv para cada Grau Celsius de temperatura (NATIONAL, 2009). O LM35 não necessita de qualquer calibração externa ou trimming para fornecer com exatidão, valores de temperatura com variações de ¼ºC ou até mesmo ¾ºC dentro da faixa de temperatura de –55ºC à 150ºC. Este sensor tem saída com baixa impedância, tensão linear e calibração precisa, fazendo com que o interfaceamento de leitura seja especificamente simples, barateando todo o sistema em função disso. 2.5.3. Sensor infravermelho passivo Os sensores infravermelhos passivos são importantes elementos na detecção de invasão e intrusões em um ambiente. Não são sensores de movimento, e sim sensores de variação de temperatura. São calibrados para a temperatura do corpo humano. São chamados de infravermelho passivos porque somente captam variações de irradiação de luz infravermelha (variações de temperatura) no ambiente. Todos os objetos emitem certa quantia de luz infravermelha. Esta radiação é captada através de um elemento sensitivo piroelétrico (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2007). 2.6 Atuadores Atuadores são dispositivos que modificam uma variável controlada. Recebem um sinal proveniente do controlador e agem sobre o sistema controlado. Geralmente trabalham com potência elevada. (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2007). Exemplos de alguns atuadores: a) Relés (estáticos eletromecânicos) b) Motores (step-motor, syncro, servo-motor) c) Lâmpadas. 2.7 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Um protocolo de comunicação nada mais é do que um conjunto de convenções que rege o tratamento e, especialmente, a formatação dos dados num sistema de comunicação. Seria a "gramática" de uma "linguagem" de comunicação padronizada. Conhecemos vários protocolos de comunicação e fazemos uso deles diariamente, mas não pensamos neles como protocolos de comunicação. O mais antigo deles é a língua falada: duas pessoas que emitem sons audíveis aos ouvidos humanos podem se comunicar. Neste exemplo, o protocolo de comunicação é a emissão de sons numa dada faixa de frequência, o código utilizado é a língua falada e a mensagem é o conteúdo do que se fala. Em se tratando de máquinas, o meio mais utilizado até hoje é o elétrico. Porém, para fazer uso de qualquer código para transmitir uma mensagem, existe a necessidade de um protocolo. 2.7.1 Comunicação com o microcontrolador Em algumas aplicações microcontroladas faz-se necessário realizar a comunicação entre diversos dispositivos externos. Esses dispositivos podem estar localizados na mesma placa ou em um PC. Para a escolha correta do tipo de comunicação a ser utilizada, devem ser analisados alguns fatores como velocidade, imunidade a ruídos, custo, etc. As técnicas de comunicação podem ser dividas em duas grandes categorias: serial e paralela. Na comunicação serial, a informação a ser transmitida é fracionada em pequenas partes (bit a bit), que são enviadas ao equipamento receptor uma após a outra, em série. Existem alguns tipos de comunicações que utilizam a comunicação serial, como o protocolo I2C e a interface RS-232 (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2007). Os protocolos de comunicação serial podem ser divididos em duas categorias: síncronos e assíncronos. Nos protocolos síncronos, além da linha de comunicação (dados), encontra-se uma linha de sincronização (clock). O elemento que gera o sinal de clock é chamado de mestre, e os que recebem esse sinal são chamados de escravos. O protocolo i2c e o microcontrolador se comunicam dessa forma. Já nos protocolos assíncronos não há uma linha especifica para a sincronização. Neste caso, a sincronização é feita pela precisão dos clocks de cada elemento e pela utilização de sinais de inicio (start) e fim (stop) da palavra transmitida. 2.7.2 Protocolo I2C I2C é a abreviação de “Inter-Integrated Circuit”, ou seja, comunicação entre Circuitos Integrados. Este barramento serial foi desenvolvido com o objetivo de conectar circuitos integrados (CI’s) e dispositivos periféricos de diferentes fabricantes em um mesmo circuito utilizando o menor número de pinos possível. Entre os dispositivos, pode-se citar: microcontroladores, memórias externas e relógio em tempo real. Ele utiliza comunicação síncrona através de duas linhas de transmissão: uma linha serial de dados (SDA) e uma de clock (SCL). A interface I2C apresenta a filosofia “multi-master”, onde todo CI da rede pode transmitir ou receber um dado e o transmissor gera a sua própria freqüência de clock para a transmissão. O número máximo de CI’s que podem ser conectados é limitado, apenas, pela capacitância máxima do barramento no valor de 400pF. Quando o barramento não está em uso, as duas linhas ficam com nível lógico alto forçado pelos resistores de “pull-up”.(PEREIRA,2007). 2.7.3 Protocolo de comunicação serial (Emulação do Canal Serial) Neste tópico será mostrado um método de comunicação bidirecional através do canal USB do microcontrolador PIC 18F2550. Uma das formas mais simples, segundo a Microchip, é através do protocolo Communications Devices Class (CDC), que emula uma porta COM RS-232 virtual, através do canal USB 2.0 “full speed”. Na figura 4 é mostrado o processo de emulação de uma porta serial RS-232 no Windows. Analisando a figura 4, temos que, firmware corresponde ao programa gravado no PIC e “API” (Interface de Programação de Aplicativos) como as bibliotecas de interface do programa para comunicação serial. Figura 4 – Processo de emulação de porta serial. Dessa forma, é possível se comunicar com a USB através de qualquer software monitor serial RS-232 como o HyperTerminal. O driver CDC instalado no PC e o programa com a biblioteca CDC gravado no PIC são os responsáveis pela emulação da porta RS-232 virtual através da USB. Para que se dê inicio ao processo de comunicação, ou seja, para que o Windows reconheça o PIC como um dispositivo de entrada e saída USB, é necessário que seja instalada e compilada a biblioteca CDC para a emulação do canal serial RS-232. Além disso, o programa deve ter a instrução que faça referência a esse componente. 2.7.4 Clock do sistema Devido à incompatibilidade de frequência entre a interface I2C e a USB, este sistema microcontrolado de automação USB é Dual Clock, pois utiliza duas fontes de clock, uma para o canal USB de 48MHZ, proveniente do cristal oscilador externo de 20MHz, e outra para o processador na execução do protocolo I2C, proveniente do oscilador RC interno de 4 MHz, conforme é mostrado na figura 5. Isto permite que um dado digitado no teclado do computador trafegue para o microcontrolador em 48 MHz via USB, depois para o relógio RTC ou para a memória EEPROM em 4 MHz via I2C e vice-versa. Figura 5 - Sistema Dual Clock. O microcontrolador já tem em seus dispositivos internos um clock de 4 MHz, o que é suficiente para se comunicar com outros dispositivos. Mas não vai se comunicar com o PC, pois a comunicação entre os dois é feita via protocolo USB, e esse só funciona com 48 MHz. Para adquirir tal freqüência se faz necessário a utilização de um circuito de clock externo. 3. SISTEMA MICROCONTROLADO DE AUTOMAÇÃO DE AMBIENTES COM SUPERVISÓRIO (SiMAAS) 3.1. Descrição do protótipo O desenvolvimento do SiMAAS é demonstrado através de um protótipo, com o objetivo de simular seu funcionamento e analisar seus resultados. O circuito real é montado com o auxílio de um protoboard como é mostrado na figura 6. Figura 6 – Montagem do protótipo O protótipo conta com um sistema de sensoriamento, cuja finalidade é supervisionar algumas características do ambiente, tais como: temperatura, luminosidade e intrusão, e ao mesmo tempo, atua no ambiente supervisionado, efetuando possíveis correções no meio controlado, com base nas informações recebidas dos sensores. Pode-se fazer uma classificação do projeto em duas partes distintas: A implementação dos hardwares e o desenvolvimento do software supervisório. Esta classificação é feita para melhor entendimento de como o