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GIANCARLO RODRIGUES RÉGIS

PLATAFORMA MODULAR PARA AUTOMAÇÃO, CONTROLE E SUPERVISÃO DE SISTEMAS

Florianópolis 2014

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃOEM DESENVOLVIMENTO DE

PRODUTOS ELETRÔNICOS



Monografia submetida à banca examinadora do curso de Pós-Graduação em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina, como requisito parcial à obtenção do título de Especialista em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos.

Professor Orientador: Clóvis Antônio Petry, Dr. Eng.

Florianópolis, 2014

CDD 629.895 R467p Régis, Giancarlo Rodrigues Plataforma modular para automação, controle e supervisão de sistemas [MP] / Giancarlo Rodrigues Régis; orientação de Clóvis Antônio Petry. – Florianópolis, 2014. 1 v.: il. Monografia de Pós Graduação (Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos) – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Inclui referências. 1.Controle e programação. 2. Automação. 3. Plataforma modular. 4. Relés. 5. Sistemas automatizados. I. Petry, Clóvis Antônio. II. Título. Sistema de Bibliotecas Integradas do IFSC Biblioteca Dr. Hercílio Luz – Campus Florianópolis Catalogado por: Ana Paula F. Rodrigues Pacheco CRB 14/1117



Este trabalho foi julgado adequado para obtenção do Certificado de Especialista em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos e aprovado na sua forma final pela banca examinadora do Curso de Pós-Graduação em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina.

Florianópolis, 22 de setembro de 2014.

Banca Examinadora:

_________________________________ Clóvis Antônio Petry, Dr.Eng.

Orientador

_________________________________ Reginaldo Steinbach, Me.

Co-Orientador

_________________________________ André Luís Dalcastagnê, Dr.Eng.

_________________________________ Everton Luiz Ferret dos Santos, M.Eng.

RESUMO O presente trabalho tem como título “Plataforma modular para automação, supervisão e controle de sistemas”. Este projeto propõe o desenvolvimento de uma plataforma de automação genérica, ou seja, que se adapte a variadas aplicações, pois foi projetada para ser um dispositivo versátil de automação, supervisão e controle. A plataforma é composta pelo módulo principal, onde se encontra o software de controle e programação, e módulos secundários que possuem funcionalidades específicas. Assim, permite adaptar suas configurações de acordo com as necessidades do projeto a qual se pretenda adequá-las, isto é possível através da inclusão de módulos com configurações distintas. A primeira parte deste trabalho foi dedicada à revisão bibliográfica, na qual foram trazidos conceitos técnicos dos temas abordados, bem como a documentação referente às tecnologias utilizadas, como o microcomputador Raspberry PI e o barramento I2C empregado na comunicação da central com os módulos secundários. No que concerne ao desenvolvimento, delimitou-se criar o conceito da plataforma, utilizando um módulo de controle de relés e o módulo principal com uma interface intuitiva que viabilize a programação pelo próprio usuário. A terceira parte foi reservada a demonstração dos resultados. Por fim, objetiva-se obter êxito no desenvolvimento da plataforma modular ao final deste trabalho científico. Palavras-Chave: Automação, Raspberry PI, Sistema Embarcado.

ABSTRACT This work is entitled "Modular Platform for automation, supervision and control systems." This project proposes the development of a generic platform automation, ie, that suits various applications because it was designed to be a versatile device automation, supervision and control. The platform consists of the main module, where the control software and programming, and secondary modules that have specific features. So lets adjust your settings according to the needs of the project which it is intended to fit them, this is possible through the inclusion of modules with different configurations. The first part of this work was devoted to the literature review, which were brought technical concepts of the topics covered, as well as the documentation of technologies used, such as the Raspberry PI PC and the I2C bus used in communication with the central side modules. With regard to development, was delimited create the concept of the platform, using a control module relay and the main module with an intuitive interface which facilitates the programming by the user. The third part was reserved to the income statement. Finally, the objective is to succeed in developing the modular platform at the end of this scientific work. Key-Words: Automation, Raspberry PI, Embedded System.

LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Zipato ZipaBox. ........................................................... 17 Figura 2 – Loxone. ...................................................................... 18 Figura 3 - Visão geral da plataforma ........................................... 19 Figura 4 - Moinho Hidráulico. ...................................................... 23 Figura 5 - Raspberry PI. .............................................................. 25 Figura 6 - Raspberry PI modelo B+. ........................................... 26 Figura 7 - Placa CM e módulo de desenvolvimento CMIO. ....... 26 Figura 8 – Câmera digital OTTO. ................................................ 27 Figura 9 – Slice media center. .................................................... 28 Figura 10 - NPE X500. ................................................................ 28 Figura 11 – Barramento I2C. ....................................................... 30 Figura 12 – Transmissão de dados no protocolo I2C ................. 30 Figura 13 – Transmissão de dados I2C. ..................................... 31 Figura 14 - Transmissão com endereçamento de 7 bits. ........... 32 Figura 15 - Aplicação típica do LTC1694. ................................... 33 Figura 16 - Comparação do LTC1694 com resistor de pull-up. . 33 Figura 17 – Estrutura de automação proposta para o desenvolvimento.......................................................................... 35 Figura 18 – Caixas da empresa Phoenix Contact. ..................... 37 Figura 19 – Caixas do fabricante Italtronic. ................................ 37 Figura 20 – Modelo de caixa Modulbox. ..................................... 38 Figura 21 – Caixa para o módulo relé. ........................................ 38 Figura 22 – Dimensões da caixa para o módulo relé. ................ 39 Figura 23 - Esquemático Placa RTC/Acelerador I2C. ................ 42 Figura 24 - Placa RTC/Acelerador I2C. ...................................... 43 Figura 25 – Fluxograma do firmware do módulo do relé. ........... 44 Figura 26 - Atmega328P 32 MLF ................................................ 45 Figura 27 – Corrente da fonte de alimentação x frequência de operação (1-20 MHz). ................................................................. 46 Figura 28 – Relé utilizado no projeto. ......................................... 47 Figura 29 – Circuito eletrônico da placa 1 do módulo de relés. . 47 Figura 30 – Visualização 3D da placa 1 desenvolvida. .............. 48 Figura 31 – Circuito eletrônico da placa 2 do módulo de relés. . 48 Figura 32 – Visualização 3D da placa 2 desenvolvida. .............. 49 Figura 33 – Fluxograma da rotina de varredura implementada. 49 Figura 34 – Comando de três bytes referente ao registro. ......... 50 Figura 35 – Padrão de envio de comandos. ............................... 50 Figura 36 - Placas Módulo Relé. ................................................. 51

Figura 37 – Placas do módulo relé na caixa de montagem. ...... 52 Figura 38 – Módulo Relé montado. ............................................. 52 Figura 39 – Raspberry PI com placa RTC e acelerador I2C. ..... 53 Figura 40 – Módulos Central e Relé conectados. ....................... 53 Figura 41 – Módulos Central e Relé conectados. ....................... 54 Figura 42 – Módulos visão superior. ........................................... 54 Figura 43 - Cenário dos testes. ................................................... 55 Figura 44 - Software de programação Selff Designer. ............... 56 Figura 45 – Tela para adicionar novo alvo. ................................. 57 Figura 46 – Tela com a lista de alvos. ........................................ 57 Figura 47 – Tela edição de alvo. ................................................. 58 Figura 48 – Tela para adicionar nova instrução.......................... 58 Figura 49 - Tela com instrução para ligar relé. ........................... 59 Figura 50 – Tela com instrução para CPU. ................................. 59 Figura 51 - Tela com instrução para desligar relé. ..................... 60 Figura 52 – Tela lista instruções. ................................................ 60 Figura 53 – Tela salvar arquivo com instruções. ........................ 61 Figura 54 – Janela salvar. ........................................................... 61 Figura 55 – Arquivo gerado contendo as instruções. ................. 62 Figura 56 – Formas de onda para acionamento do relé............. 63 Figura 57 - Comando liga relé 0x2A 0x01 0x01. ........................ 63 Figura 58 - Comando desligar relé 0x2A 0x01 0x00. ................. 64 Figura 59 – Bug de extensão de clock do Raspberry. ................ 65 Figura 60 – Verificação clock-stretching. .................................... 65 Figura 61 – Lexone Miniserver e Projeto Plataforma. ................ 67

LISTA DE ABREVIATURAS USB Universal Serial Bus RCA Radio Corporation of America GPIO General Purpose Input/Output CM Compute Module CMIO Compute Module IO Board SODIMM Small Outline DIMM DDR2 Dual Data Rate 2 HDMI High-Definition Multimedia Interface HD Hard Disk I2C Circuito Inter-integrado (Inter-Integrated Circuit) IO Entrada/Saída (In/Out) PCI Placas de Circuito Impresso RTC Relógio de Tempo Real (Real-Time Clock) SCL Serial Clock DAS Serial Data

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ....................................................................... 15 1.1 PROBLEMATIZAÇÃO ....................................................... 16 1.1.1 Formulação do Problema ............................................. 16 1.1.2 Solução Proposta ......................................................... 18 1.2 OBJETIVOS ....................................................................... 19 1.2.1 Objetivo Geral ............................................................... 19 1.2.2 Objetivos Específicos ................................................... 20

2 METODOLOGIA .................................................................... 21

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................. 23 3.1 AUTOMAÇÃO ............................................................... 23 3.2 RASPBERRY PI ................................................................ 25 3.3 BARRAMENTO I2C ........................................................... 29 3.3.1 Transmissão de Dados ................................................. 30 3.3.2 Início e Fim de Transmissão ........................................ 31 3.3.3 Protocolo ....................................................................... 31 3.4 ACELERADOR I2C ........................................................... 32

4 DESENVOLVIMENTO ........................................................... 35 4.1 VISÃO GERAL ................................................................... 35 4.2 ESTRUTURA MECÂNICA................................................. 36 4.2.1 Caixa de Montagem Módulo Central ............................ 37 4.2.2 Caixa de Montagem Módulo Relé ................................ 38 4.3 MÓDULO CENTRAL ......................................................... 39 4.3.1 Software de Programação e Controle .......................... 40 4.3.2 Hardware ...................................................................... 41 4.4 MÓDULO RELÉ................................................................. 43

4.4.1 Firmware ....................................................................... 43 4.4.2 Hardware ...................................................................... 44 4.5 COMUNICAÇÃO MÓDULO CENTRAL E MÓDULO RELÉ 49

5 RESULTADOS ....................................................................... 51 5.1 Testes ................................................................................ 55 5.1.1 Cenário ......................................................................... 55 5.1.2 Programação das Instruções ....................................... 56 5.1.3 Teste das Instruções Programadas ............................. 62 5.2 Bug de clock-stretching no I2C do BCM2835 ................... 64 5.3 Levantamento de Custos................................................... 66 5.4 Comparação com Produto Similar .................................... 66 5.5 Considerações Referentes aos Resultados ...................... 68

6 CONCLUSÃO ........................................................................ 69

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................... 71

1 INTRODUÇÃO

Primeiramente, entende-se pertinente abordar a evolução histórica da automação. Assim, de acordo com Goeking (2010), o conceito de automação foi iniciado nos Estados Unidos em 1946, tendo como seu primeiro setor as fábricas automotivas. Com o passar do tempo o conceito foi ampliado e atualmente automação aborda todo o sistema que utiliza computação e substitui o trabalho humano. Tendo como escopo aumentar a velocidade e a qualidade dos processos produtivos, aliado a isso a segurança dos funcionários, obtenção de controle de gestão, planejamento e flexibilidade na produção.

A criação do transistor em 1947, auxiliou a impulsionar o desenvolvimento da automação. O transistor é um componente eletrônico apto ao controle de passagem da corrente elétrica em determinados sistemas. O uso do transistor e da eletrônica, propiciou o desenvolvimento dos primeiros computadores industriais. No entanto, o microprocessador foi comercializado somente a partir de 1960, nesse período surgiram os primeiros robôs mecânicos a incorporar sistemas de microprocessamento e unir tecnologias mecânicas e elétricas. (GOEKING, 2010)

Assim, a princípio a automação foi aplicada nas indústrias automobilística e petroquímica. A tecnologia se disseminou para outras áreas e atualmente é instrumento das indústrias alimentícia, química, siderúrgica, residencial, dentre outras. (GOEKING, 2010)

Conceitua Moraes e Castrucci (2007), que automação é qualquer sistema, apoiado em computadores, que substitui o trabalho humano, em favor da segurança, da qualidade dos produtos, rapidez na produção e redução de custos, assim aperfeiçoando os objetivos das indústrias, dos serviços ou propiciando bem estar.

Neste contexto, o presente trabalho tem como propósito desenvolver uma plataforma que permita a automação de edificações e equipamentos, tornando-os mais eficientes e tendo como um dos objetivos ser uma opção de produto de baixo custo.

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Assim, o projeto é elaborado visando criar uma

plataforma genérica que permitisse a automação em geral. Portanto, as futuras áreas de aplicação são diversas, podendo esta plataforma ser base para inúmeros produtos e serviços.

No que diz respeito à aplicação, esta plataforma possibilita o desenvolvimento de diversos sistemas de gestão inteligente, como: Controle de iluminação, paisagismo, segurança, monitoramento de energia elétrica, automatização de equipamentos, dentre outros.

Este dispositivo permiti a diminuição do tempo de implementação e, ainda, dispensará a necessidade de prévio conhecimento em programação pelo implementador.

A plataforma traz flexibilidade de inserir e remover diferentes tipos de módulos, permitindo aos usuários a possibilidade de adquiri-los conforme a aplicação que desejam obter. Deste modo, reduz-se o custo na compra do equipamento.

Em suma, o projeto busca desenvolver uma plataforma base, que permita uma gama de opções de desenvolvimento de sistemas automatizados de forma descomplicada. Bem como, tornando-se uma opção atrativa para o setor de automação que apresenta grande crescimento no país.

Destaca-se a viabilidade comercial do projeto, haja vista que equipamentos similares a esse são onerosos no mercado nacional, de difícil implementação e voltados para aplicações específicas.

1.1 PROBLEMATIZAÇÃO

1.1.1 Formulação do Problema

Em virtude do grande crescimento do setor de automação no Brasil, que engloba a automação residencial, predial e de equipamentos, surge a necessidade no mercado de dispositivos para estes fins com as mais variadas aplicações.

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No momento atual, o mercado brasileiro oferece poucos produtos para automação de propósito geral, que possibilitem flexibilidade de instalação (que permitam escolher quais e quantos equipamentos serão automatizados conforme a necessidade e demanda).

Ademais, aplicações que exijam certo nível de inteligência podem tornar o sistema de automação oneroso, pois exigem conhecimento técnico específico para a implementação.

Em virtude da escassez de equipamentos no cenário nacional, encontra-se na importação de dispositivos uma solução para esta situação. No entanto, suas aplicações costumam ser específicas, o que acarreta a impossibilidade da reutilização destes para aplicações distintas.

Algumas empresas como a Zipato (Figura 1) e Loxone (Figura 2) oferecem produtos desta natureza. Entretanto estes são voltados para a automação residencial e têm custo elevado.

Figura 1 - Zipato ZipaBox.

Fonte: http://www.zipato.com.

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Figura 2 – Loxone.

Fonte: www.loxone.com.

Ressalva-se que o avanço tecnológico trouxe a minoração no preço dos equipamentos, apesar disso o custo ainda é alto.

Levando em consideração este cenário, o presente trabalho trás uma nova opção para o mercado da automação, visando conciliar baixo custo, flexibilidade e facilidade de uso.

1.1.2 Solução Proposta Há uma necessidade premente no mercado nacional de

uma plataforma genérica que permita variadas formas de automação e supervisão. Isto posto, pretende-se desenvolver uma plataforma inovadora de propósito geral, assim abrindo um leque de aplicações em uma única plataforma que abarquem as necessidades de diversos ramos e que permita ao implementador uma fácil implantação.

Na Figura 3 mostra-se a estrutura modular da plataforma proposta, formada por um módulo central que faz o controle da plataforma e submódulos de automação.

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Figura 3 - Visão geral da plataforma

Fonte: Adaptada pelo autor (http://ecatalog.weg.net) A plataforma proposta possui três blocos de

desenvolvimento, cada um com funções específicas, quais sejam: software de controle e programação; hardware do módulo principal; e, submódulos.

No que diz respeito aos submódulos, para delimitar as aplicações exemplificadas durante o projeto, opta por desenvolver somente um submódulo de controle sobre relés.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo Geral

Desenvolver um dispositivo programável e modular para automação com interface de programação amigável, de fácil instalação e baixo custo.

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1.2.2 Objetivos Específicos Os objetivos específicos do presente trabalho são:

x Elaborar uma interface gráfica de programação do dispositivo;

x Implementar o interpretador de instruções responsável por enviar comandos para os módulos;

x Desenvolver os módulos de acionamento sobre relés.

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2 METODOLOGIA

Para alcançar os objetivos do projeto proposto faz-se necessário primeiramente levantar os requisitos de funcionamento da plataforma.

Antes de dar início ao desenvolvimento do software de controle, é realizada a modelagem do interpretador de instruções responsável por comandar os módulos de automação através de um fluxograma ou UML.

Com o software interpretador pronto, são feitos os primeiros testes, já utilizando a interface I2C conectada a uma placa de desenvolvimento Arduino que simula o comportamento dos submódulos.

O módulo principal é implementado embarcando o software de controle em um microcomputador Raspberry PI, adquirido para este projeto.

O objetivo do teste supracitado é verificar o comportamento do barramento I2C (Inter-Integrated Circuit) para esta aplicação que, se possível, será testado com vários Arduinos, assim simulando diferentes tipos de submódulos.

Com o barramento testado, é desenvolvida a placa do submódulo, fabricada no laboratório da Instituição de Ensino ou por uma empresa especializada, incluindo a montagem dos componentes.

Para a montagem final da plataforma, são adquiridas caixas de montagem do tipo trilho DIN, são duas no total, uma para o módulo principal e outra para o submódulo, isto permitirá maior facilidade de instalação.

Por fim, com o produto em estado final, são realizados testes com aplicações reais.

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3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 AUTOMAÇÃO

Conceitua-se automação como a aplicação de técnicas computadorizadas ou mecânicas para diminuir o uso de mão de obra em qualquer processo, principalmente o uso de robôs nas linhas de produção. A automação minimiza os custos e aumenta a velocidade da produção. (LACOMBE, 2004)

A automação surgiu como a via para a redução da participação da mão humana sobre os processos industriais. Partindo desse ponto, podemos dizer que a utilização em larga escala do moinho hidráulico para produção de farinha, no século X, foi uma das primeiras criações humanas com o propósito de automatizar o trabalho, mesmo que de modo arcaico. Segundo alguns autores, esse desenvolvimento da mecanização teria impulsionado mais tarde o aparecimento da automação, (GOEKING, 2010).

A disseminação do moinho hidráulico pela Europa ocidental conduziu a um crescimento da produção de alimentos nunca antes visto. Na época, um moinho era capaz de substituir o trabalho de dez a vinte homens. Desde então o homem tem conduzido o seu conhecimento para o desenvolvimento de tecnologias que dispensem suas atividades braçais. Como exemplo cita-se a máquina a vapor, que começou a ser utilizada com a finalidade de movimentar equipamentos industriais, (GOEKING, 2010).

Figura 4 - Moinho Hidráulico.

Fonte: http://www.osetoreletrico.com.br.

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De acordo com Teza (2002), passa-se a expor os estudos

sobre automação. A automação teve suas raízes no início da civilização,

ausente de uma data que estabeleça o seu marco. Considera-se automatização qualquer processo que auxilie o ser humano nas suas tarefas cotidianas, sejam elas industriais, comerciais, domésticas ou no campo.

A Revolução Industrial que iniciou no século XVIII propiciou o desenvolvimento da automação no mundo, surgida a partir da mecanização, da qual utiliza-se suas bases até hoje em muitos processos produtivos.

A automatização é o método pelo qual empregam-se dispositivos automáticos, eletrônicos e inteligentes para promover a automação dos processos em questão.

A automação industrial vem numa crescente evolução até o presente momento, sobretudo com o rápido progresso da informática e dos softwares de supervisão e gerenciamento que apresentam aspectos de grande complexidade. Atualmente os comércios em sua maioria têm suas operações integradas. Até mesmo o pequeno comércio e prestadores de serviço utilizam-se dos benefícios da automação.

Da mesma forma, surgiram os chamados prédios inteligentes, nota-se maior adesão àqueles voltados ao uso comercial, que utilizam os sistemas automatizados de modo a privilegiar as últimas tecnologias seja no campo de telecomunicações, condicionamento do ar, segurança e controle de acesso.

Ainda, sobre a automação residencial observa-se a utilização de processos automatizados em casas, apartamentos e escritórios. Essa área da automação recebe outras denominações, como: Automatização Residencial ou Domótica, bem como Automação Doméstica.

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3.2 RASPBERRY PI

Raspberry PI é um computador de baixo custo do tamanho de um cartão de crédito criado pela Fundação Raspberry PI, concebido com o intuito educacional para que crianças de todo o mundo tivessem a oportunidade de aprender como funciona um computador, manipular o mundo eletrônico e como programar computadores.

Figura 5 - Raspberry PI.

Fonte: http://www.rs-online.com.

O primeiro modelo do microcomputador foi chamado de modelo A. Posteriormente foi substituído pelo modelo B no qual não houve alteração de layout, as mudanças mais relevantes correspondem a: upgrade de memória de 256 MB para 512 MB, inclusão de uma porta USB e uma interface Ethernet. Recentemente o modelo B foi atualizado para incorporar algumas melhorias solicitadas pela comunidade que utilizam o Raspberry, nasceu então o modelo B+, basicamente foram feitas algumas alterações no layout, a inserção de mais duas entradas USB, a retirada do terminal RCA de vídeo e o aumento no número de pinos GPIO (ELINUX, 2014).

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Figura 6 - Raspberry PI modelo B+.

Fonte: www.raspberrypi.org.

Além do modelo B atualizado, a Fundação Raspberry PI trouxe recentemente outra novidade, o Raspberry PI Compute Module (CM) em conjunto com o Compute Module IO Board (CMIO), mostrado na Figura 7.

Figura 7 - Placa CM e módulo de desenvolvimento CMIO.

Fonte: http://www.raspberrypi.org.

O CM é uma pequena placa contendo um Raspberry simplificado, ou seja, sem os componentes periféricos, composta somente pelo processador e memória com conector tipo SODIMM DDR2. Esta placa possibilita que o projetista crie seu próprio módulo, trazendo mais flexibilidade na criação de sistemas personalizados.

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A CMIO é um módulo para conectar a placa CM fornecendo os periféricos como USB, HDMI, alimentação entre outros. Esta placa serve para auxiliar projetistas a construir ou testar um sistema ou até mesmo utilizar como base para projetar seu próprio módulo.

De maneira geral o projeto Raspberry vem sendo utilizado em projetos de produtos comerciais devido a sua capacidade de processamento, o custo baixo e conexões exteriores. O primeiro produto desenvolvido a partir de um módulo Raspberry PI Compute Module foi o OTTO, uma câmera digital que vai além de tirar fotos, ela permite ao usuário fazer GIFs e vídeos e compartilha-los via smartphone.

Figura 8 – Câmera digital OTTO. Fonte: www.kickstarter.com.

Outro exemplo é o Slice, um media center para conectar um televisor via HDMI e reproduzir filmes, vídeos e músicas que estão armazenadas em um HD (Hard Disk) interno.

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Figura 9 – Slice media center.

Fonte: www.raspberrypi.org/tag/media-centre. O NPE X500 é uma plataforma de automação programável

da série de computadores industriais do fabricante Techbase que também utiliza-se do módulo Raspberry PI como base. Esta plataforma permite uma variedade de aplicações devido a sua arquitetura bastante flexível com uma gama de interfaces e modos de funcionamento.

Figura 10 - NPE X500.

Fonte: http://solutions.techbase.eu/products/npe-x500-series.

O Quadro 1 mostra os modelos oferecidos pelo fabricante e as interfaces suportadas por cada um. Para interfaces sem fio

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a Techbase oferece módulos de expansão Wi-Fi, ZigBee, LTE/3G/GPRS, Bluetooth e GPS.

Quadro 1 – Modelos do NPE X500. Mini Standart Max 4 x DO X X X 4 x DI X X X 1 x 1-Wire X X X Ethernet X X X USB X X X RTC X X X 1xRS323/RS X X 4x DIO X X 4x ADC X 1x PCI_Express X 2x PCI_Express X HDMI X Áudio X

3.3 BARRAMENTO I2C

A fim de maximizar a eficiência de hardware e simplificação de circuito a Philips Semiconductors desenvolveu um protocolo de dados de dois fios chamado I2C-bus. Este protocolo permite que vários dispositivos se conectem em um barramento, conforme demonstrado na Figura 11, e possui as seguintes características:

x Duas vias de transmissão - SDA (dados seriais), SCL (clock serial);

x Mestre/Escravo – Dispositivo mestre gera o sinal de clock e começa e termina a comunicação, o escravo verifica o barramento e responde ao mestre;

x Endereçamento – Para que os dispositivos do barramento se comuniquem, cada um deles deve possuir um endereço único, com exceção do mestre. O endereçamento pode ser de 7 ou 10 bits,

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permitindo 112 ou 1024 dispositivos conectados respectivamente;

x Taxa de transmissão – bidirecional 100 kbps (standard-mode), 400 kbps (fast-mode), 1 Mbps (fast-mode plus), 3,4 Mbps (high-speed mode) ou unidirecional 5 Mbps (ultra fast-mode);

x Capacitância – máxima capacitância do barramento 400 pF.

Figura 11 – Barramento I2C.

Fonte: www.societyofrobots.com/member_tutorials/book/export/html/35.

3.3.1 Transmissão de Dados

Os dados transmitidos no barramento são enviados um bit a cada pulso de clock, como mostrado na Figura 12.

Figura 12 – Transmissão de dados no protocolo I2C

Fonte: www.nxp.com/documents/user_manual/UM10204.pdf

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3.3.2 Início e Fim de Transmissão

A condição de barramento livre é dada com SDA e SCL em nível lógico alto, ambos possuem resistores de pull-up conectados a VDD. O início da transmissão é dado na transição de SDA do nível alto para baixo com SCL em nível alto por um dispositivo mestre e a finalização ocorre na transição do SDA do nível baixo para o alto com SCL em nível alto (Figura 13).

Figura 13 – Transmissão de dados I2C.

Fonte: www.nxp.com/documents/user_manual/UM10204.pdf.

3.3.3 Protocolo

A transferência típica de dados no protocolo I2C segue o formato conforme a Figura 14. O primeiro formato é utilizado para enviar ou escrever dados em um determinado dispositivo, a transmissão é iniciada de acordo com a condição inicial mencionada anteriormente, seguida do endereço de 7 bits do dispositivo escravo, mais 1 bit de controle (R/W) identificando que se trata de uma escrita. O escravo responde com 1 bit de confirmação (ACK) mantendo SDA em nível baixo. Desta forma, o mestre inicia a transmissão dos dados enviando 8 bits por vez, sempre recebendo o ACK do escravo até executar a condição de parada, assim finalizando a transmissão.

Para a leitura de dados, o bit R/W deve ser 1. O escravo reponde o ACK e começa a transmissão dos dados. O mestre deve responder com o ACK a cada conjunto de 8 bits recebido.

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Figura 14 - Transmissão com endereçamento de 7 bits. Fonte: www.nxp.com/documents/user_manual/UM10204.pdf.

O protocolo permite algumas variações como alterar o bit de controle de leitura ou escrita ou fazer uma nova transmissão sem liberar o barramento. Isto pode ser feito entrando na condição inicial novamente, esta técnica é conhecida como reinício. O endereço “0000 000” é reservado e definido como endereço de chamada geral que possibilita o envio de dados para todos os dispositivos do barramento de uma única vez.

3.4 ACELERADOR I2C

Visando aumentar a velocidade de transmissão de dados e a inserção de um número maior de dispositivos em barramentos I2C sem comprometer a integridade dos dados transmitidos, a Linear Technology desenvolveu um dispositivo de pull-up ativo específico para barramentos deste tipo.

A Figura 15 mostra como o dispositivo é conectado no circuito.

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Figura 15 - Aplicação típica do LTC1694. Fonte: www.linear.com/product/LTC1694.

Este dispositivo funciona diminuindo o tempo de transição

de subida do nível lógico do barramento, ou seja, faz com que o pulso de dados chegue ao nível alto mais rapidamente. Por esta razão, é chamado de acelerador. Permite maior distância e aumento do número de dispositivos conectados, podendo atingir além do limite de 400 pF especificado para o I2C.

A Figura 16 compara o uso deste dispositivo com o resistor de pull-up.

Figura 16 - Comparação do LTC1694 com resistor de pull-up.

Fonte: www.linear.com/product/LTC1694.

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O acelerador I2C fornece uma alta corrente de pull-up para as transições de subida e zero para as transições de descida, possui comparadores internos que verificam a variação de tensão do barramento e possibilita entrar em modo de espera reduzindo a corrente de alimentação.

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4 DESENVOLVIMENTO

4.1 VISÃO GERAL

Uma vez proposta à solução deu-se início ao desenvolvimento da plataforma de automação.

Em um segundo momento passou-se a fase de delimitação da proposta. Optou-se por um módulo de relé, comum na automação, tendo em vista o tempo necessário para desenvolver uma solução mais completa.

Nesse contexto, a plataforma foi projetada baseada na ideia inicial proposta conforme a Figura 17.

Figura 17 – Estrutura de automação proposta para o desenvolvimento.

Fonte: Adaptada pelo autor (http://ecatalog.weg.net).

Os principais componentes da plataforma são: x Módulo Central – possui um computador Rasberry

PI e uma placa contendo um RTC (Real Time Clock), uma bateria e o um acelerador I2C. Esta central faz todo o controle dos demais módulos conectados a ela;

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x Módulo Relé – contém quatro relés para acionamento de diversos tipos de equipamentos.

4.2 ESTRUTURA MECÂNICA

Inicia-se esse tópico relatando o processo que envolveu a escolha da estrutura mecânica. Convém mencionar que não foi uma parte difícil, no entanto trabalhosa, haja vista que foi necessário pesquisar o que o mercado disponibilizava em equipamentos e vincular essas informações com a viabilidade orçamentária, tempo de entrega dos equipamentos, desenvolvimento do projeto, testes, bem como documentação e data de conclusão do trabalho científico.

Nesse sentido, foi realizada uma pesquisa em diversos fornecedores em busca de caixas de montagem que se adequassem ao projeto. Faziam-se necessárias as caixas para dar início ao projeto de dimensionamento das placas e da conexão entre elas.

Importante destacar, que a empresa alemã Phoenix Contact com representação no Brasil disponibiliza excelentes caixas para montagem eletrônica em trilho DIN conforme mostrado na Figura 18. Contudo, os produtos são direcionados ao desenvolvimento de placas que se adequem as suas dimensões. Levando em consideração que o módulo principal do projeto teria como placa um Raspberry PI, critério que levou a não aquisição dos produtos desse fornecedor, pois não seria possível obter um acabamento mais próximo de um produto final da plataforma de automação para este trabalho.

As pesquisas levaram então a empresa austríaca Italtronic que desenvolve caixas de montagem em trilho DIN específicas para Raspberry PI.

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Figura 18 – Caixas da empresa Phoenix Contact.

Fonte: www.phoenixcontact.com.

Opta-se pelo produto da Italtronic por fornecer um melhor acabamento e maior compatibilidade, em termos de design, com as outras caixas para montagem dos submódulos. Após a exposição da visão geral do projeto mecânico, passa-se para a fase de pormenorização do desenvolvimento.

4.2.1 Caixa de Montagem Módulo Central

Em contato com a empresa SOB Brasil, distribuidora da Italtronic no Brasil, foram fornecidas duas amostras de caixa de montagem para Raspberry PI conforme modelos mostrados na Figura 19.

Figura 19 – Caixas do fabricante Italtronic.

Fonte: www.farnell.com.

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Para este projeto o modelo Modulbox mostrou-se o mais

apropriado, pois além de possuir maior espaço interno possibilitando inserir placas auxiliares, também tem seu design mais compatível com as caixas mais comuns para a montagem dos demais módulos.

Figura 20 – Modelo de caixa Modulbox. Fonte: http://embedded-computing.com.

4.2.2 Caixa de Montagem Módulo Relé

Para o módulo de relé foi adquirida uma caixa de montagem conforme a Figura 21.

Esta caixa possibilita inserir três placas eletrônicas, pois possui três andares para instalação.

Figura 21 – Caixa para o módulo relé.

Fonte: www.eletrodex.com.br.

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A Figura 22 mostra as dimensões da caixa e das placas que podem ser instaladas em seu interior.

Figura 22 – Dimensões da caixa para o módulo relé. Fonte: www.eletrodex.com.br.

4.3 MÓDULO CENTRAL

Trata-se do núcleo da plataforma de automação. O módulo central é responsável por controlar os submódulos de automação. Cabe a ele rodar as instruções pré-programadas pelo usuário via software.

Após apresentado, passa-se a especificação dos seus componentes.

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4.3.1 Software de Programação e Controle

O software de controle é a parte principal do projeto, haja vista que ele detém a capacidade de comandar os mais diversos tipos de hardwares (submódulos) e suas funcionalidades.

Objetiva-se desenvolver um software que se subdividisse em duas partes, quais sejam:

x Interface de Programação: Trata-se de uma interface gráfica que possibilita ao usuário-programador criar instruções para a plataforma de automação permitindo manipular tipos de submódulos com funções pré-definidas.

Feita a programação, esta aplicação gera um arquivo contendo as instruções criadas pelo usuário, o mesmo é interpretado pelo processo responsável por executá-las e enviado para o submódulo de destino.

x Controlador: Possui a função de controlar o barramento

de dados que interconectam os submódulos e aplicar as instruções que o usuário-programador determinar. É importante ressaltar que o controlador em tela foi projetado para conhecer somente um perfil de hardware, ou seja, o módulo de relé e uma instrução lógica de espera definida como módulo CPU, isto sob a ótica da delimitação deste trabalho científico. No entanto, o projeto é moldável, assim podendo enquanto produto ser adaptado para conhecer diversos perfis de hardware e condições lógicas.

Importante salientar que o módulo CPU permite futuros desenvolvimentos de funções lógicas, bem como geração de imagens para monitoramento via interface HDMI. Essas funções são de fácil inclusão, tendo em vista que a arquitetura do software de controle foi desenvolvida visando garantir futuras aplicações.

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4.3.2 Hardware

Inicialmente a parte de hardware trazia alguns pré-requisitos necessários para o bom desenvolvimento do trabalho.

Como já mencionado em item anterior, foi necessário primeiramente buscar-se uma placa que oferecesse bons recursos de hardware, e minimamente as seguintes interfaces: rede, HDMI, USB e serial. Esses recursos faz-se necessários, como será visto a seguir:

x Rede: Conexão a internet para possibilitar a supervisão remota;

x HDMI: Permite a utilização de monitor para controle visual;

x USB: Visando flexibilizar e facilitar a inserção de novas interfaces;

x Serial: A principal interface que é responsável pela comunicação com os submódulos.

Este foi o caminho que levou a Rasberry PI, que possui

todos os requisitos do projeto, além de ser de baixo custo. Acerca da escolha do tipo de barramento é importante

mencionar que estava totalmente atrelada ao custo do projeto, tendo em vista que não poderiam ser escolhidos dispositivos que elevassem o custo dos módulos.

As opções de interface que a Raspberry fornece são: I2C, I2S (Integrated Interchip Sound), SPI (Serial Peripheral Interface), UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Portanto, dentro dessas opções encontrava-se liame de escolha do projeto.

Opta-se pelo barramento I2C, pois grande parte dos microcontroladores de baixo custo possui este tipo de interface. Contudo, essas interfaces não são específicas para este tipo de aplicação.

Para contornar a previsão da possibilidade de haver algum problema futuro utilizando o I2C, procurou-se uma alternativa para garantir mais confiabilidade ao barramento.

Após pesquisas chegou-se ao dispositivo chamado acelerador I2C, que possibilita conectar maior número de dispositivos ao barramentos, maior distância entre eles, bem como assegurar maior confiabilidade nas transmissões de dados.

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Além disso, esse dispositivo tem custo baixo. Foi importado do país de origem (China) por $ 1,57, descontando-se o frete.

Nesse trabalho o acelerador foi projetado para ficar dentro do módulo central e ligar-se ao barramento. Assim, fez-se necessário criar uma placa para dispor o componente e conectá-lo ao Raspberry.

Como foi necessário criar esta placa, aproveitou-se para acrescentar um componente RTC (Real Time Clock). As Figuras 23 e 24 mostram o aspecto final da placa projetada e seu esquemático, respectivamente.

Figura 23 - Esquemático Placa RTC/Acelerador I2C.

Fonte: Elaborada pelo autor.

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Figura 24 - Placa RTC/Acelerador I2C.


4.4 MÓDULO RELÉ

Escolhida a caixa de montagem para este módulo, passou-se a definir os seus componentes. Houve uma pesquisa prévia antes da aquisição dos componentes na qual buscou-se que todos tivessem dimensões compatíveis.

A análise prévia dos componentes permitiu acoplar quatro relés na caixa de montagem.

Apresentado o módulo de relé, passa-se a abordagem do firmware.

4.4.1 Firmware

Para o firmware do módulo de relé foi desenvolvido um fluxo bastante simples.

Partindo-se do princípio que o módulo tem como função somente acionar relés, desta forma o firmware desenvolvido faz com que o microcontrolador entre em loop aguardando comandos do módulo central.

Além disso, foi implementado o estado de inicialização onde o módulo registra-se no barramento, este procedimento será abordado posteriormente. A Figura 25 mostra o fluxo do módulo em funcionamento.

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Figura 25 – Fluxograma do firmware do módulo do relé. Fonte: Elaborada pelo autor.

4.4.2 Hardware

Acerca da escolha do microcontrolador, optou-se por utilizar o modelo AVR ATmega328 da Atmel.

Essa escolha foi baseada nos benefícios que o fabricante agregava ao trabalho, pois este material comunga de alguns elementos relevantes, quais sejam: Disponibilidade no mercado, ferramentas que facilitam criar provas de conceito, dimensões e custo.

Algumas das características do ATmega328: x Dimensões reduzidas; x Frequência de operação de até 20 MHz; x Alimentação de 1,8 V à 5,5 V; x Flash 32 KB; x EEPROM 1 KB;

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x RAM 2 KB; x Timers de 8 bits e 16 bits; x Conversores A/D; x Comparadores Analógicos; x Interfaces seriais SPI, TWI(I2C) e USART; x Portas digitais.

Apesar do microcontrolador ter recursos além do que se

necessitava para o projeto, optou-se por adquirí-lo pelo fator custo-benefício. Tendo em vista, que o produto tem bom custo de mercado e concilia a isso à sua qualidade.

Figura 26 - Atmega328P 32 MLF

Fonte: www.sparkfun.com/datasheets

Para que a interface I2C do microcontrolador fosse compatível com a interface do Raspeberry, deveria a primeira operar em 3,3 V. Conforme as especificações do fabricante do microcontrolador (Figura 27), tendo essa tensão de 3,3 V, havia uma limitação de velocidade de clock em torno de 12 MHz.

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Figura 27 – Corrente da fonte de alimentação x frequência de operação

(1-20 MHz). Fonte: www.sparkfun.com/datasheets.

Assim, adquiriu-se um cristal oscilador de 12 MHz. Após montada a placa, esta apresentou mau funcionamento. Após trocar-se o cristal que fora adquirido, confirmou-se que este encontrava-se com defeito. Para poder seguir no mesmo ritmo de desenvolvimento do projeto, optou-se por inserir um cristal de 8 MHz.

Uma vez definido o modo de operação do microcontrolador, deu-se início a próxima fase, pesquisar e definir quais seriam os relés a serem utilizados no projeto.

Destaca-se que já havia sido realizada uma pesquisa anterior sobre os relés, haja vista que era necessário saber suas especificações visando a compatibilidade com as dimensões da caixa de montagem, portanto já detinha-se o conhecimento de que haviam dispositivos no mercado que detinham as qualidades as quais eram essenciais para o desenvolvimento.

Os relés escolhidos foram do fabricante PANASONIC modelo JS1-5V-F (Figura 28) que são acionados por uma tensão de 5 V e tensão máxima de chaveamento de 250 V (AC) 100 V (DC) e corrente máxima de 10 A (AC) e 5 A (DC).

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Figura 28 – Relé utilizado no projeto.

Fonte: www.jameco.com/Jameco/Products/ProdDS/843155.pdf.

Respeitando as características da caixa de montagem é possível inserir até três placas eletrônicas, por sua vez isso possibilita diminuir as dimensões do produto final.

Nesse projeto o módulo de relé foi dividido em duas placas para que fosse possível dispor todos os componentes em seu interior.

Acerca da composição da placa 1, está detém: microcontrolador, conjunto de componentes reguladores de tensão, LED’s indicadores.

As Figuras 29 e 30 ilustram o desenvolvimento da placa 1, seu circuito eletrônico e a seu aspecto em três dimensões, respectivamente.

Figura 29 – Circuito eletrônico da placa 1 do módulo de relés.


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Figura 30 – Visualização 3D da placa 1 desenvolvida.


No que concerne a placa 2, é composta por: módulos de relé, componentes gerais para acionamento, terminais de conexão externa. As Figuras 31 e 32 ilustram o desenvolvimento da placa 2, seu circuito eletrônico e a seu aspecto em três dimensões, respectivamente.

Figura 31 – Circuito eletrônico da placa 2 do módulo de relés.


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Figura 32 – Visualização 3D da placa 2 desenvolvida.


4.5 COMUNICAÇÃO MÓDULO CENTRAL E MÓDULO RELÉ

Para que os módulos da plataforma possam fazer a troca de dados, são criados padrões de comunicação. Desse modo, foram criados os três padrões apresentados a seguir:

1) Implementação de uma varredura no barramento, haja vista que o protocolo I2C não permite que escravos enviem dados diretamente a outros dispositivos. Portanto, ficando por conta do mestre solicitar aos escravos que enviem seus dados. Desta forma, o módulo central solicita aos dispositivos conectados que enviem seus dados, se houverem, para que o mesmo possa tratá-los. O fluxograma da rotina implementada é mostrado na Figura 33.

Figura 33 – Fluxograma da rotina de varredura implementada. Fonte: Elaborada pelo autor.

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2) Sempre que um submódulo é conectado ao barramento pela primeira vez, é necessário que o mestre (neste caso o módulo central), conheça seu endereço. Desta forma, foi definido um endereço padrão para dispositivos que se conectem no barramento, pois quando o módulo central faz a varredura no barramento irá verificar se existe algum módulo que respondeu neste endereço. Se esta verificação for respondida, o módulo recebe um novo endereço atribuído pelo módulo central. A isso dá-se o nome de registro. A Figura 34 mostra o comando de três bytes referente ao registro.

Figura 34 – Comando de três bytes referente ao registro.

Fonte: Elaborada pelo autor. 3) Padrão definido para envio de comandos de

controle, especificamente para o módulo de relé (Figura 35).

Figura 35 – Padrão de envio de comandos.


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5 RESULTADOS

Finalizado o desenvolvimento, passa-se para a fase de testes. De início a apuração da plataforma de automação apresenta resultados satisfatórios, justificando a proposta inicial deste trabalho.

Cabe destacar que são realizados testes durante o processo de desenvolvimento do projeto nos quais obteve-se êxito nos resultados. A fim de comprovar o propósito inicial deste projeto, apresenta-se a seguir as fotos da montagem da plataforma, os testes finais que corroboram os resultados obtidos durante a pesquisa e o levantamento de custos.

Figura 36 - Placas Módulo Relé.


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Figura 37 – Placas do módulo relé na caixa de montagem.


Figura 38 – Módulo Relé montado.


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Figura 39 – Raspberry PI com placa RTC e acelerador I2C.


Figura 40 – Módulos Central e Relé conectados.


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Figura 41 – Módulos Central e Relé conectados.


Figura 42 – Módulos visão superior.


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5.1 Testes

É criado um cenário simples para os testes, com o fito de demonstrar o funcionamento da plataforma. Deste modo, apresentam-se os resultados a seguir.

5.1.1 Cenário Acerca desta etapa, é preparado um cenário que permita

aferir as instruções programadas na plataforma através do osciloscópio. O cenário preparado para a realização do teste abaixo descrito em seis instruções:

1. Acionar o relé 1; 2. Aguarda 2s; 3. Desliga o relé 1; 4. Aguarda 3s; 5. Liga o relé 1; 6. Aguarda 4s.

Após a exposição dos indicadores supramencionados, passa-se a pormenorizar as fases realizadas nos testes.

Abaixo demonstra-se a bancada de testes na qual foi montado o cenário e alocados os equipamentos.

Figura 43 - Cenário dos testes. Fonte: Elaborada pelo autor.

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5.1.2 Programação das Instruções

Acerca da programação das instruções da plataforma de automação, apresenta-se na Figura 44 a sua interface gráfica. Esta foi desenvolvida visando ser de fácil operação e intuitiva.

A interface gráfica subposta foi projetada com a finalidade de demonstração, não foi privilegiado na delimitação do trabalho incluir os inúmeros recursos gráficos possíveis, haja vista que optou-se por dedicar tempo ao desenvolvimento do motor lógico do software. Conforme a Figura 44, a parte superior da tela inicial do software exibe a denominação dada a este, correspondente a: Selff Designer. Logo após vê-se duas abas, são elas:

1. Módulos: são listados os módulos disponíveis à programação;

2. Alvos: local a qual são criadas as instruções a serem executadas pelos módulos.

No que diz respeito ao botão arquivo, este é utilizado para salvar as instruções realizadas.

Figura 44 - Software de programação Selff Designer.


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Na Figura 45 exibe-se a tela alvo, que é o campo destinado a nomear o conjunto de instruções que será criado.

No caso subposto, o alvo criado é “Teste Relé”.

Figura 45 – Tela para adicionar novo alvo.


A figura 46 demonstra que o novo alvo foi criado com sucesso. Assim, passa-se a fase de inserir as instruções.

Figura 46 – Tela com a lista de alvos.

Fonte: Elaborada pelo autor Ao clicar em “Editar” no alvo criado, é apresentada a tela exposta na Figura 47. Esta tela disponibiliza o espaço reservado para a lista de instruções, que por sua vez podem ser criadas clicando no botão “Adicionar Instruções”.

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Figura 47 – Tela edição de alvo.

Fonte: Elaborada pelo autor. Após os passos supramencionados, é aberta a janela que permite inserir uma nova instrução.

Figura 48 – Tela para adicionar nova instrução.


Na tela mostrada na Figura 49 foi criada a primeira instrução do teste proposto:

x Módulo: trata-se do campo que permite escolher o módulo que executará a instrução. Como vislumbra-se na Figura 49, no teste o módulo relé foi selecionado;

x Instrução: corresponde aos tipos de instruções que o módulo suporta;

x Relay (Relé): partindo do ponto que o módulo relé desenvolvido neste projeto possui quatro relés, este campo possibilitou a escolha do acionamento do Relé 1 (Figura 49);

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x Status: neste campo é definido o comportamento deseja para o relé adote, ou seja, (1) um para ligado e (0) zero para desligado.

Figura 49 - Tela com instrução para ligar relé.


Na próxima instrução foi utilizado o módulo lógico CPU, valendo-se da instrução wait (espera), definindo o tempo de 2000 ms que equivale aos 2 segundos estipulados no teste.

Figura 50 – Tela com instrução para CPU.


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A imagem da Figura 51 determina a etapa de desligamento do relé. Dando fim ao primeiro ciclo do teste.

Figura 51 - Tela com instrução para desligar relé.


Os demais ciclos do teste são uma repetição do primeiro ciclo, com uma variação no tempo correspondente a quatro segundos mais uma espera de três segundos entre os ciclos. Inseridos todos os passos para o teste do alvo “Teste Relé”, pode-se observar na tela a lista das instruções programadas para serem executadas (Figura 52).

Figura 52 – Tela lista instruções.


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Finalizada a programação faz-se necessário salva-la conforme Figura 53, na aba “Módulos” clicar em arquivo.

Figura 53 – Tela salvar arquivo com instruções.


Isso faz com que abra uma janela para nomear o arquivo que contém as instruções (Figura 54).

Figura 54 – Janela salvar.


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O arquivo gerado é composto por dados no formato JSON (Java Script Object Notation) que compõe o conjunto de instruções programados (Figura 55).

Figura 55 – Arquivo gerado contendo as instruções.


5.1.3 Teste das Instruções Programadas Vencida a fase anterior aborda-se a seguir os testes

supracitados. Primeiramente, o arquivo gerado na programação das instruções foi carregado para a plataforma. Esta foi inicializada e as instruções rodaram como planejado. Para aferir o funcionamento da plataforma foi verificado o comportamento do relé programado por meio do osciloscópio, conforme demonstra-se na Figura 56. Ainda, a imagem demonstra que os tempos programados ocorreram de acordo com o predeterminado. Deste modo, o primeiro degrau representa o início do acionamento do relé com duração de dois segundos. Após o decurso deste, ele foi desligado permanecendo nesse estado por três segundos; Logo voltando a ser acionado e mantendo-se por mais quatro segundos. Posteriormente, foi concluído o ciclo com o desligamento do relé.

As figuras 57 e 58 demonstram respectivamente, os comandos enviados de ligar e desligar o relé pelo Raspberry.

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Figura 56 – Formas de onda para acionamento do relé.


Figura 57 - Comando liga relé 0x2A 0x01 0x01.


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Figura 58 - Comando desligar relé 0x2A 0x01 0x00.


5.2 Bug de clock-stretching no I2C do BCM2835

No desenvolvimento do projeto foi descoberto durante pesquisas de ferramentas para testes no barramento I2C do Raspeberry, um possível problema de implementação do I2C, pois o processador Broadcomm BCM2835 do Raspeberry não suporta a extensão do relógio (clock stretching), conforme as informações relatadas pela empresa Advamation Mechatronic este problema não consta no datasheet do fabricante.

Acerca do clock estendido, esse ocorre quando o dispositivo escravo segura o clock no nível lógico baixo por um instante, com isso o Rasberry não compensa o tempo que foi estendido, fazendo com que no próximo ciclo de clock o pulso venha a ficar curto. Desta forma, o escravo não o detecta acarretando a dessincronização dos dispositivos.

A Figura 59 mostra um exemplo fornecido pela Advamation em que um dispositivo mestre envia o comando de escrita “0x4F 0xAA” para o escravo que faz a utilização da extensão de clock causando o encurtamento do pulso deste.

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Figura 59 – Bug de extensão de clock do Raspberry.

Fonte: http://www.advamation.com/knowhow/raspberrypi/rpi-i2c-bug.html.

A fim de comprovar que a situação supramencionada não

refletiria prejuízos a este projeto, foram realizados testes que evidenciaram que a implementação do microcontrolador do módulo de relé não fez a utilização do clock estendindo. Conforme Figura 60:

Figura 60 – Verificação clock-stretching.


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5.3 Levantamento de Custos No que diz respeito ao levantamento de custos, é importante reafirmar que manteve-se durante o desenvolvimento do projeto um dos principais objetivos, ou seja, construir uma plataforma de baixo custo, mas que oferecesse recursos de boa qualidade e inteligência. A automação permitiu desenvolver um projeto com essas características, com custos que corroboraram a proposta inicial. Abaixo apresentam-se os valores investidos e demonstra-se cristalinamente a viabilidade financeira do projeto.

Quadro 2 – Levantamento de custos Módulo Principal Módulo Relé

Componentes Valor R$

Componentes Valor R$

Raspberry PI 218,00 ATmega328 10,00 Caixa montagem 18,15 Caixa montagem 10,00 Acelerador I2C 3,20 Transistores 0,24 LEDs 0,44 LEDs 1,10 Bateria e suporte 6,00 Regulador de tensão 1,00 RTC 6,10 Relés 16,00 Cristal oscilador 0,62 Cristal oscilador 1,65 Resistores e capacit. 0,30 Resistores e capacit. 1,90 Diodos 0,08 Diodos 0.16 Conector DB9 1,50 Conector DB9 3,00 PCI *SVE PCI *SVE Borne PCI 3,20

Subtotal R$ 254,39 Subtotal R$ 48,25 Total R$ 302,64

*SVE – Sem valor estimado.

5.4 Comparação com Produto Similar

Para demonstrar o custo-benefício do projeto desenvolvido nesta pesquisa, buscaram-se produtos similares para que fossem analisadas suas características, deste modo permitindo a comparação entre produtos que o mercado oferece e a plataforma de automação.

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Vencida esta etapa de pesquisa, optou-se pelo dispositivo Lexone Miniserver, pelo fato deste ter características semelhantes ao projeto proposto, conforme demonstrado na figura abaixo.

Figura 61 – Lexone Miniserver e Projeto Plataforma.

Fonte: Elaborada pelo autor. As informações técnicas do Lexone Miniserver foram obtidas

no sítio eletrônico: http://shop.loxone.com. Levando em consideração o valor em moeda nacional da

plataforma Lexone, ou seja, aproximadamente R$ 1 229,00 (um mil duzentos e vinte e nove reais). Soma-se a esse valor o adicional da entrega postal internacional e os impostos devidos. Constata-se que o produto tem um custo considerável, apesar do fator de oferecer recursos a mais do que os desenvolvidos neste trabalho acadêmico.

Como abordado no título anterior, o valor total da plataforma de automação foi correspondente a R$ 302,64, ao compararmos aos produtos assemelhados no mercado, conclui-se que a plataforma desenvolvida trata-se de um produto de baixo custo.

Importante mencionar, que há diferenças ao compararmos a plataforma da Lexone a este projeto, tendo em vista que Lexone oferece um maior número de interfaces (englobando-se tipos e

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quantidade), no entanto a plataforma desenvolvida neste trabalho possui uma interface diferenciada que é a HDMI para conexão com monitores.

Ao compararmos os valores e as características supracitadas, vislumbra-se a discrepância entre os valores do produto disponível no mercado da plataforma desenvolvida.

Isso reafirma o ideal deste projeto, ou seja, desenvolver um produto eficiente e de baixo custo.

5.5 Considerações Referentes aos Resultados

De acordo com os dados expostos os resultados validam o projeto. Tendo em vista, que os testes demonstraram que a plataforma possibilita uma gestão inteligente de automação. Assim, conforme as avaliações, o projeto respondeu positivamente a sua proposta inicial.

Isso posto, passa-se para a parte de conclusões finais deste trabalho científico.

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6 CONCLUSÃO

O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma plataforma de automação flexível que possibilitasse criar sistemas inteligentes de maneira descomplicada e conjuntamente fosse um produto de baixo custo.

No que tange aos resultados, tomando-os como referência, os testes de forma geral, demonstraram que a placa Raspberry PI se mostrou estável e possibilitou criar provas de conceito de forma eficaz haja vista suas ferramentas de desenvolvimento serem versáteis e de fácil manipulação.

É importante mencionar que uma pesquisa mais profunda sobre Raspberry PI demonstrou que empresas estão se valendo desta plataforma para desenvolver seus produtos. Assim, demonstrando a aceitação da placa no mercado tecnológico.

Acerca do barramento I2C, os testes apontaram a viabilidade do uso deste tipo de interface de comunicação em conjunto com os dispositivos aceleradores. Desse modo, foi possível reduzir significativamente o custo do projeto dos submódulos, pois esta é uma interface comum em microcontroladores.

A arquitetura do software de controle foi a parte que mais exigiu planejamento, pois era fundamental criar um design que permitisse acoplar novos perfis de hardware, mas ao mesmo tempo implementasse alterações mínimas no software.

Tendo em vista a delimitação do projeto e o cronograma do curso, optou-se por criar uma interface gráfica de programação com forma simples, no entanto pontual ao seu propósito. Assim, a forma de programar ficou intuitiva e de fácil controle.

No que diz respeito a avaliação econômica, baseada em dados reais e valores aproximados, esta apontou que o investimento na plataforma de automação e controle de sistemas é uma opção viável e de baixo custo.

Em suma, o presente projeto cumpriu ao que foi proposto, obteve êxito em sua fase de testes, confirmando a viabilidade do produto, visando ser uma alternativa de baixo custo no mercado nacional. Além disso, trazendo autonomia ao usuário do sistema, através de uma interface intuitiva.

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Com o objetivo de aprimorar o projeto, passa-se a apresentar pontos que entende-se merecerem maior tempo de pesquisa e prosseguimento do desenvolvimento. Com a finalidade de aperfeiçoar à plataforma de automação, assim gerando novas alternativas de produtos que tenham como escopo solucionar as lacunas que o mercado apresenta em eficiência, qualidade, conforto e custo. Nesse contexto, passa-se a expor os tópicos:

x Criação de submódulos que permitam novas funções e interoperabilidade com outros equipamentos;

x Aperfeiçoar a interface gráfica de programação; x Criar uma interface gráfica de monitoramento que

possibilite a visualização por meio da interface HDMI do módulo central;

x Desenvolver uma placa que contenha display de cristal líquido para o módulo central, destaca-se que a caixa de montagem possui espaço apropriado para a inclusão desta placa;

x Implementação de um webservice para consumir dados da plataforma ou enviar comando via internet.

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7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ADVAMATION, Raspberry PI I2C clock-stretching bug, 2013. Disponível em: <www.advamation.com/knowhow/raspberrypi/rpi-i2c-bug.html>. Acessado em: 10 abr 2014. ATMEL, 8-bit Microcontroller with 4/8/16/32K Bytes In-System Programmable Flash, 2009. Disponível em: <www.sparkfun.com/datasheets/Components/SMD/ATMega328.pdf>. Acessado em: 07 jan 2014. ELINUX, RPi Hub, 2014. Disponível em: <http://elinux.org/RPi_Hardware>. Acessado em: 07 jan 2014. ELINUX, BCM2835 datasheet errata, 2014. Disponível em: <http://elinux.org/BCM2835_datasheet_errata#p35_I2C_clock_stretching>. Acessado em: 10 abr 2014. GOEKING, Weruska. Da máquina a vapor aos softwares de automação, 2010. Disponível em: <http://www.osetoreletrico.com.br/web/component/content/article/57-artigos-e-materias/343-xxxx.html>. Acessado em: 20 jun 2014. LACOMBE, F. J. M. Dicionário de administração. [S.I.]: Saraiva, 2004. LINEAR, SMBus/I2C Accelerator, 1999. Disponível em: <http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/16941fa.pdf> Acessado em: 15 dez 2013. NXP, I2C-bus specification and user manual, 2014. Disponível em: <www.nxp.com/documents/user_manual/UM10204.pdf>. Acessado em: 20 dez 2013. TEZA, V. R. Alguns Aspectos Sobre a Automação Residencial - Domótica. 2002. Disertação (Mestrado em Ciência da Computação) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis. Disponível em: <http://repositorio.ufsc.br/bitstream/handle/123456789/83015/212312.pdf?sequence=1> Acessado em: 07 ago 2013.

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