SISTEMA DE ILUMINAÇÃO RESIDENCIAL …...Palavras-Chave: Internet das Coisas, iluminação...
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i SISTEMA DE ILUMINAÇÃO RESIDENCIAL CONTROLADO ATRAVÉS DE SMARTPHONE Lucas Ruas Manzatto Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Eletrônica e de Computação da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Joarez Bastos Monteiro Rio de Janeiro Março de 2019
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SISTEMA DE ILUMINAÇÃO RESIDENCIAL CONTROLADO
ATRAVÉS DE SMARTPHONE
Lucas Ruas Manzatto
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Eletrônica e de Computação da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro,
como parte dos requisitos necessários à obtenção
do título de Engenheiro.
Orientador: Joarez Bastos Monteiro
Rio de Janeiro
Março de 2019
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola Politécnica – Departamento de Eletrônica e de Computação
Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária
Rio de Janeiro – RJ CEP 21949-900
Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que
poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar
qualquer forma de arquivamento.
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre
bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja
ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem
finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es).
v
AGRADECIMENTO
Gostaria de agradecer a todos aqueles que de alguma forma contribuíram para a
conclusão do curso de Engenharia.
Um agradecimento especial aos meus pais (Rose e Gilmar) e a Liz que me apoiaram ao
longo dessa jornada de aventuras na UFRJ.
Ao Joarez que pacientemente me guiou ao longo do projeto e da elaboração desse
protótipo.
Ao Ivan Carmo, Suzana Kahn, Andrea Santos, Marlon Huamani, Rejane Rocha, Beatriz
Chaves, Renato Firmino e Eduardo por terem marcado de alguma forma a minha
formação acadêmica e profissional ao longo do curso.
Ao Casé por ter me recebido tantas e tantas vezes para tirar todas as dúvidas sobre o
futuro e permanência no curso.
A equipe da Telefônica que me recebeu de braços abertos e me mostraram um novo
mundo de aprendizado.
A todos aqueles que, mesmo não sendo citados, estavam presentes no dia a dia e de
alguma forma me incentivaram a continuar.
vi
RESUMO
Esse projeto de graduação discorre sobre um sistema de iluminação residencial
controlado pelo smartphone. Inicialmente são analisados os produtos disponíveis no
mercado brasileiro para atender a demanda de iluminação das casas inteligentes e
modernas.
Observadas algumas limitações desses produtos existentes, o autor propõe um
projeto mais completo, com baixo custo, controlado por smartphone e de fácil instalação.
Ao longo da discussão sobre implementações e opções de desenvolvimento, são
apresentados conceitos de topologia de rede, comunicações e microprocessadores.
Por fim, é feita uma rápida pesquisa de custo de material para a implementação
desse novo sistema e são enumeradas possíveis complementações do projeto para
torná-lo mais viável e interessante ao consumidor.
Palavras-Chave: Internet das Coisas, iluminação inteligente, smartphone, casa inteligente
vii
ABSTRACT
This graduation project discusses a residential lightning system controlled by the
smartphone. Initially, are analyzed the products available in the Brazilian market to meet
the demand for lighting of smart and modern houses.
Noted some limitations on the existing products, the author proposes a complete,
low cost, controlled via smartphone and easy to install project. Throughout the
discussions of implementation and development, concepts of network topology,
communication and microprocessors are presented.
Lastly, a quick inquiry of inputs costs for the implementation is made and possible
projects updates and complementation are listed to make it more viable and interesting
to consumer.
Key-words: Internet of Things, smart lightning, smartphone, smart home
viii
SIGLAS
IDE – Integrated Development Environment
ISM – Industrial, Scientific and Medical Radio Band
PCB – Printed Circuit Board
PCI – Placa de Circuito Impresso
UART – Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
USB – Universal Serial Bus
UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro
ix
Sumário 1. Introdução .............................................................................................................................................. 1
1.1 Motivação ...................................................................................................................................... 1
1.2 Delimitação ................................................................................................................................... 2
1.3 Objetivo .......................................................................................................................................... 2
1.4 Localização .................................................................................................................................... 2
2. Estado da Arte ...................................................................................................................................... 4
2.1 Produtos comercializados ....................................................................................................... 4
2.2 Premissas ....................................................................................................................................... 5
3. Desenvolvimento do Hardware...................................................................................................... 6
3.1 Iluminação ..................................................................................................................................... 6
3.1.1 Bulbo LED 12W 110V Epistar ........................................................................................ 6
3.1.2 Luminária LED de Embutir 12W ................................................................................... 7
3.1.3 Barra de LEDs .................................................................................................................... 10
3.2 Topologia .................................................................................................................................... 11
3.2.1 Dispositivo de Iluminação ............................................................................................ 13
3.2.2 Gateway .............................................................................................................................. 14
3.2.3 Aplicativo de Smartphone ............................................................................................ 14
3.3 Gateway ....................................................................................................................................... 15
3.3.1 Processador + WiFi ......................................................................................................... 15
3.3.2 Rádio RF .............................................................................................................................. 16
3.3.3 Alimentação....................................................................................................................... 17
3.3.4 Placa de Circuito Impresso .......................................................................................... 19
3.4 Dispositivo de Iluminação ..................................................................................................... 20
3.4.1 Modificação na Instalação Original .......................................................................... 21
3.4.2 Processador + Rádio RF ................................................................................................ 22
3.4.3 Alimentação....................................................................................................................... 22
3.4.4 Controle de Intensidade ............................................................................................... 23
3.4.5 Placa de Circuito Impresso .......................................................................................... 27
x
4. Desenvolvimento de software ...................................................................................................... 30
4.1 Redes de Comunicação .......................................................................................................... 30
4.1.1 WiFi: Gateway ↔ Aplicativo de Smartphone ......................................................... 30
4.1.2 RF: Gateway ↔ Dispositivo de iluminação ............................................................. 33
4.2 Software embarcado do Dispositivo de Iluminação ................................................... 40
4.2.1 Interface de programação ........................................................................................... 40
4.2.2 Diagrama de blocos do programa ........................................................................... 41
4.3 Software embarcado do gateway ...................................................................................... 43
4.3.1 Preparação da IDE ........................................................................................................... 44
4.3.2 Interface de programação ........................................................................................... 44
4.3.3 Diagrama de blocos do programa ........................................................................... 46
4.4 Aplicativo para Smartphone ................................................................................................. 48
4.4.1 Estratégia de desenvolvimento .................................................................................. 48
4.4.2 Configuração inicial do Gateway via Smartphone .............................................. 49
4.4.3 Leitura e mudança de estado da lâmpada ............................................................ 52
5. Protótipo e resultados ..................................................................................................................... 53
5.1 Sistema em escala .................................................................................................................... 53
5.2 Teste de carga ........................................................................................................................... 55
6. Conclusões e trabalhos futuros .................................................................................................... 56
6.1 Preço final .................................................................................................................................... 56
6.2 Fácil instalação........................................................................................................................... 57
6.3 Fácil utilização ............................................................................................................................ 58
6.4 Eficiência Energética ................................................................................................................ 58
6.5 Trabalhos Futuros ..................................................................................................................... 59
7. Referências Bibliográficas ............................................................................................................... 60
xi
Índice de figuras:
Figura 1: Opções disponíveis no mercado .......................................................................................... 4
Figura 2: Bulbo de LED 12W ..................................................................................................................... 6
Figura 3: Esquemático Bulbo LED 12W................................................................................................. 6
Figura 4: Caixa e Fotografia da Luminária MBLED ........................................................................... 7
Figura 5: Driver da Luminária de LED .................................................................................................... 8
Figura 6: Esquemático Driver da Luminária de LED ......................................................................... 8
Figura 7: Esquemático Sugerido Driver Placa de LED ..................................................................... 9
Figura 8: Barra de 3 LEDs ......................................................................................................................... 10
Figura 9: Exemplo de conjunto de duas barras de LEDs associadas em série ..................... 10
Figura 10: Proposta Topologia WiFi .................................................................................................... 11
Figura 11: Proposta Topologia Mista .................................................................................................. 12
Figura 12: Diagrama em Blocos Completo ....................................................................................... 13
Figura 13: Diagrama de Blocos do Gateway..................................................................................... 15
Figura 14: ESP8266 ESP-07...................................................................................................................... 15
Figura 15: Esboço Consumo na Inicialização ESP8266 ................................................................. 17
Figura 16: Leitura Osciloscópio ESP8266 Stand-by ........................................................................ 18
Figura 17: Módulo conversor Buck LM2596 ..................................................................................... 18
Figura 18: Esquemático PCI Gateway .................................................................................................. 19
Figura 19: Layout PCI Gateway .............................................................................................................. 20
Figura 20: Diagrama de Blocos Dispositivo de Iluminação ......................................................... 20
Figura 21: Ilustração Instalação Elétrica Padrão .............................................................................. 21
Figura 22: Ilustração Instalação Modificada para Instalação ...................................................... 21
Figura 23: Instalação sem fase ............................................................................................................... 22
Figura 24: Instalação com fiação extra ............................................................................................... 22
Figura 25: Sistema de alimentação ...................................................................................................... 23
Figura 26: Sistema de Iluminação com valores de potência ...................................................... 23
Figura 27: Gráficos de Corrente e Luminosidade LED 5730 ....................................................... 24
Figura 28: Ilustração de Interruptor para PWM............................................................................... 24
Figura 29: Ilustração Potência Média PWM ...................................................................................... 25
xii
Figura 30: Gráfico do Datasheet IRF1404 com anotações........................................................... 26
Figura 31: Esquemático Acionamento PWM .................................................................................... 27
Figura 32: Esquemático do Dispositivo de Iluminação ................................................................. 27
Figura 33: Layout do Dispositivo de Iluminação ............................................................................. 28
Figura 34: Gráfico tensão de dropout vs output current do AMS1117................................... 29
Figura 35: Esquema Acessos ................................................................................................................... 31
Figura 36: Upgrade de Protocolo HTTP-WebSocket ..................................................................... 32
Figura 37: Comunicação WebSocket ................................................................................................... 32
Figura 38: Primeira proposta de endereçamento RF..................................................................... 34
Figura 39: Endereçamento RF ................................................................................................................ 35
Figura 40: Exemplo de comunicação ................................................................................................... 39
Figura 41: IDE do Arduino ....................................................................................................................... 40
Figura 42: Esquema para programação ATMega328p ................................................................. 41
Figura 43: Fluxo do programa - Dispositivo de Iluminação ....................................................... 41
Figura 44: Esquemático para Programação ESP8266 .................................................................... 44
Figura 45: Fluxo do Programa – Gateway .......................................................................................... 46
Figura 46: Fluxograma de decisões aplicativo ................................................................................. 51
Figura 47: Interface do usuário .............................................................................................................. 52
Figura 48: Maquete demonstrativa ...................................................................................................... 53
Figura 49: Dispositivo de iluminação montado ............................................................................... 53
Figura 50: Gateway montado ................................................................................................................. 54
Figura 51: Imagens do Aplicativo ......................................................................................................... 54
Figura 52: Montagem para medição de VDS com VGS constante .............................................. 55
xiii
Índice de tabelas: Tabela 1: Caracterização da barra de LED ......................................................................................... 10
Tabela 2: Tabela de Endereçamento nRF24L01............................................................................... 35
Tabela 3: Resumo das mensagens RF ................................................................................................. 38
Tabela 4: Modos de inicialização ESP8266........................................................................................ 45
Tabela 5: Cotação de preços de componentes ............................................................................... 56
Tabela 6: Expectativa de Consumo Geral .......................................................................................... 58
1
1. INTRODUÇÃO
1.1 Motivação
Esse projeto final é idealizado em um momento em que o mercado é inundado com
objetos conectados e com multifuncionalidades que nem sempre são acessíveis, seja do
ponto de vista financeiro ou do ponto de vista funcional.
A busca pelas “coisas” conectadas e inteligentes abriu um segmento de mercado
completamente novo para atender aqueles que estão dispostos a pagar para ter mais
conforto e praticidade na sua vida. Essas aplicações vão desde aparelhos que ligam e
desligam ao comando de um celular até sensores espalhados pela cidade que enviam
seus dados para uma central de comando.
Essa corrida para ter toda a casa conectada levou a dois movimentos de setores
diferentes para atender essa demanda:
Por um lado, temos as grandes empresas se movimentando para oferecer aos seus
clientes produtos de altíssimo valor agregado que promete tornar a sua casa inteligente
e automatizada.
Por outro lado, temos uma legião de hobistas e entusiastas consumindo módulos como
Arduino e ESP8266 para criar a sua própria solução para a sua casa.
No meio do caminho temos consumidores finais que estão dispostos a fazer
investimentos em tornar a sua casa conectada, mas também não estão dispostos a se
submeter a uma instalação complicada e aos riscos de um dispositivo comprado na
internet sem garantia de procedência.
Pensando nesse tipo de consumidor, esse projeto visa o estudo de viabilidade e
montagem de um protótipo que possa atender aqueles que desejam ter sua casa
conectada sem altos investimentos e sem complicações no momento da instalação e
utilização de seu dispositivo conectado.
2
1.2 Delimitação
Focando no ramo de iluminação de residências conectadas, a instalação de uma lâmpada
conectada à internet pode render algumas dores de cabeça. O custo elevado do
equipamento, a necessidade de novo cabeamento e a falta de compatibilidade com a
infraestrutura existente são barreiras inerentes a aquisição de parte dos módulos do
mercado.
O projeto visa a realização de um protótipo com a função básica de controlar a
iluminação de diversos ambientes através de um dispositivo smartphone. Entre as
características desse equipamento torna-se essencial a facilidade de instalação e
utilização. Outras funcionalidades podem ser suportadas em versões futuras desse
produto, porém não serão minuciosamente detalhadas nesse documento.
1.3 Objetivo
O objetivo principal é, portanto, estudar a viabilidade e montar o protótipo de um
sistema de iluminação residencial que contemple os seguintes objetivos secundários:
1. Preço final compatível ou inferior aos dispositivos presentes no mercado.
2. Fácil instalação na residência do usuário.
3. Fácil utilização por aqueles que não estão familiarizados com a tecnologia.
4. Eficiência energética.
5. Controlar a iluminação através de um aplicativo no smartphone.
6. Controlar a iluminação através do interruptor, sem que se perca a funcionalidade
anterior (o que ocorre com parte dos modelos comerciais – Ver 2.1).
1.4 Localização
Internet das Coisas e Smart Things são os termos que dominaram as manchetes no ramo
de eletrônica e computação ao longo da minha graduação [1]. Grande parte desse
trabalho sofre a influência da cultura de Internet das Coisas, definida pelo IEEE como:
“network of items—each embedded with sensors—which are
connected to the Internet” [2]
3
Levando em conta essa nova realidade de que os objetos estão cada vez mais conectados
à internet e entre si, foi valorizado nesse projeto o funcionamento online e o envio de
dados para serem disponibilizados para outras aplicações que possam aproveitar essas
informações.
4
2. ESTADO DA ARTE
Para idealizar o projeto, se faz necessário levantar as premissas e as limitações existentes
nos produtos à venda no Brasil. Esse capítulo tem como objetivo levantar essas
informações, fazer uma análise rápida das limitações e concluir a estratégia a ser adotada
para atender as premissas e resolver as limitações.
2.1 Produtos comercializados
Atualmente é possível encontrar algumas soluções de iluminação residencial,
controladas pelo celular, à venda em redes varejistas brasileiras. A maior parte dessas
soluções giram em torno do controle por bluetooth ou controle remoto. Na Figura 1
podemos encontrar alguns dos modelos à venda em um grande site de varejo brasileiro.
Figura 1: Opções disponíveis no mercado
Fonte: Americanas.com
5
Algumas das limitações desses produtos são:
• Funcionam de forma standalone, ou seja, cada lâmpada deve ser controlada
individualmente.
• O interruptor corta a alimentação de energia da lâmpada. Logo, ao desligar a
lâmpada no interruptor, ela perde as funções smart.
• A maior parte dessas lâmpadas tem um foco decorativo, logo são de baixa
potência e iluminam pouco.
Tendo em vista essas características dos produtos já comercializados, esse projeto final
visa propor uma solução para essas limitações, atendendo os objetivos definidos na
Introdução.
2.2 Premissas
Para atender os objetivos citados na Introdução desse Projeto de Graduação e contornar
as limitações das opções atuais do mercado, temos como premissas do projeto:
• Poder ser acionado, normalmente, através do interruptor.
• Poder ser acionado, remotamente, através de outro meio que não o interruptor
(por exemplo, controle remoto ou smartphone).
• Não perder a funcionalidade de acionamento remoto caso esteja com o
interruptor desligado.
• Eficiência energética (o sistema não pode consumir uma quantidade de energia
significativa para operar em standby).
• Facilidade de instalação (não deve ser necessário passar fiação, fazer obras ou
qualquer intervenção no local onde o equipamento será instalado).
• Fácil integração inicial (uma vez afixado e energizado, o equipamento deve ser
facilmente integrado a rede local).
• O sistema deve ser pronto para o uso, sem a necessidade de conhecimentos de
informática ou elétrica para o seu funcionamento.
• Baixo custo final de produção (o sistema deve ter seu preço de venda igual ou
inferior aos equipamentos de mercado).
6
3. DESENVOLVIMENTO DO HARDWARE
3.1 Iluminação
O objetivo é encontrar uma opção para criar a iluminação desejada, permitindo o
controle da intensidade da luz (dimmer) através do hardware de controle. Para isso,
foram analisados alguns modelos de lâmpadas de LED disponíveis para venda na internet
que serão apresentados a seguir.
3.1.1 Bulbo LED 12W 110V Epistar
Para essa análise, foi comprado um kit com 5 bulbos 12W da marca Epistar. Na Figura 2
é possível identificar a placa de LED desse bulbo.
Figura 2: Bulbo de LED 12W
Esse bulbo contém 24 LEDs modelo 5730 ligados em série a um circuito simples AC-DC,
conforme o diagrama abaixo:
Figura 3: Esquemático Bulbo LED 12W
7
Curiosamente, 4 dos 5 exemplares que vieram no kit comprado queimaram em pouco
tempo. Ao analisar a simplicidade da fonte DC de alimentação dos LEDs, podemos notar
que não existe nenhum controle de surto ou limitador de corrente. Logo, os LEDs ficam
expostos a qualquer variação da rede elétrica e acabam queimando com muita facilidade.
Por conta da alta tensão aplicada nos LEDs e a dificuldade de controlar a intensidade de
iluminação dos LEDs, essa opção foi descartada.
3.1.2 Luminária LED de Embutir 12W
Outra luminária escolhida para teste foi esse modelo de embutir da MBLED. Por ser de
embutir, a luminária é dividida em duas partes: Um driver/transformador e uma placa de
LED. A caixa e a placa de LED podem ser vistas na Figura 4.
Figura 4: Caixa e Fotografia da Luminária MBLED
A placa de LED é composta por 12 conjuntos de 5 LEDs 2835 em paralelo, associados em
série, totalizando 60 LEDs 2835.
De acordo com o datasheet da Nationstar [3], a tensão típica em cada LED é de 3,2V @
60mA.
Logo, calculando os valores teóricos de tensão e corrente sobre a placa, obteve-se:
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒: 5 × 60𝑚𝐴 = 300𝑚𝐴
𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜: 12 × 3,2𝑉 = 38,4𝑉
As medições na prática chegaram bem próximas disso, com uma tensão de 38V sobre a
luminária acesa.
8
Outra parte importante dessa luminária é o driver de 12W. Esse dispositivo funciona
como uma fonte de corrente constante com as seguintes especificações:
• Modelo: 12W
• Entrada: AC85-265V 50/60Hz
• Saída: 36-48V 300mA ± 5%
Através da observação das trilhas e dos componentes do circuito do driver da Figura 5
foi elaborado o esquemático da Figura 6 na tentativa de controlar a corrente de saída
para a luminária de LED e dessa forma variar a intensidade de iluminação.
Figura 5: Driver da Luminária de LED
Figura 6: Esquemático Driver da Luminária de LED
O circuito integrado PN8326 não possui muita documentação disponível para consulta.
A página do fabricante [4] descreve o CI como um “conversor de alta performance,
minimizando a quantidade de componentes externos necessários para alimentar o LED”.
9
Ao traduzir do chinês o datasheet [5], temos algumas dicas do funcionamento desse CI:
• Através do pino FB, o PN8326 amostra o sinal e ajusta a frequência de oscilação
para que a corrente de saída seja constante.
• O pino CS mede a tensão sob os resistores R1 e R2 de forma a controlar a corrente
no LED, permitindo um ajuste externo da corrente.
A fim de controlar a corrente que alimenta o LED e, com isso, variar a intensidade
luminosa da lâmpada, deve-se ajustar a corrente que passa pelo indutor L1. Tomando
como base o desenho da Figura 7 presente no manual do PN8326, nota-se que o
MOSFET é chaveado e a corrente sai do CI através do pino CS.
Figura 7: Esquemático Sugerido Driver Placa de LED
Fonte: Datasheet [5]
Logo, teoricamente, alterando a resistência entre os pinos CS e GND, seriamos capazes
de controlar a corrente final no LED. Porém o baixo valor da resistência equivalente entre
CS e GND (0,96Ω) e os picos de corrente que devem acontecer sob esse resistor para
gerar a potência necessária na saída do transformador, impede uma intervenção prática
nesse trecho.
Outra solução poderia ser retirar esse mesmo resistor para que o PN8326 não tivesse
mais limitação na corrente fornecida. Porém, o teste prático mostrou que, ao curto
circuitar esse resistor, o circuito entre em modo de proteção e bloqueia o funcionamento
do circuito.
A falta de informações do CI principal e a dificuldade de realizar modificações na placa
já montada, fizeram com que esse driver não pudesse ser utilizado no projeto
10
3.1.3 Barra de LEDs
Por conta das dificuldades encontradas com as outras duas soluções, buscou-se uma
alternativa que permitisse um controle efetivo da luminosidade. Pesquisando no
mercado, foi encontrado uma pequena barra de LEDs (como as da Figura 8), alimentada
por uma fonte de tensão de 12V. Essas barras podem ser associadas conforme a
necessidade de iluminação do ambiente.
Figura 8: Barra de 3 LEDs
Cada barra possui três LEDs e um resistor em série. Da forma como estão os conectores
de entrada e saída dessa barra, ao conectar duas barras em série, os circuitos (3 LEDs +
1 resistor) ficam conectados em paralelo, conforme representado no esquemático da
Figura 9.
Figura 9: Exemplo de conjunto de duas barras de LEDs associadas em série
Para dimensionar o circuito controlador de potência da iluminação, é necessário
conhecer o comportamento elétrico dessa barra de LEDs. Essa informação será
importante para agrupar as placas de modo a atingir a potência final desejada.
As características elétricas de uma barra de LEDs, alimentadas com uma fonte nominal
de 12V, foram medidas e apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1: Caracterização da barra de LED
Tensão medida na fonte: 𝑉𝐹 = 12,2𝑉
Tensão medida em cada LED: 𝑉𝐿𝐸𝐷 ≅ 3,3𝑉
Tensão medida no resistor de 39Ω: 𝑉𝑅 = 2,2𝑉
Corrente calculada no circuito: 𝐼𝑅 = 𝐼𝐿𝐸𝐷 = 2,2𝑉
39Ω= 56𝑚𝐴
Barra Barra 2
11
Nesse projeto os valores obtidos através das medições indicam uma potência de:
𝑃𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 = 12𝑉 × 56𝑚𝐴 = 0,672𝑊/𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎
Uma luminária de 12W deve conter então 18 barras de LEDs, associadas em série.
Sendo assim, essa barra de LEDs foi a escolhida para a implementação do dispositivo de
iluminação.
3.2 Topologia
Diferentemente das lâmpadas smarts comerciais de prateleira, o objetivo desse projeto
final é conceber um sistema de iluminação. Por “sistema” entende-se algo que não seja
limitado a somente um ambiente e sim englobe diversos (se não todos) os cômodos de
uma casa.
Sendo assim, o sistema tem que contemplar a comunicação entre lâmpadas e
smartphone, de modo que seja possível controlar o estado de cada lâmpada, remotamente,
por aplicativo.
Uma primeira proposta pode ser através do WiFi, em que todas as lâmpadas estariam
conectadas à rede wireless doméstica através do roteador residencial. O smartphone
acessaria essas lâmpadas através desse roteador usando um aplicativo, como pode ser
visto na Figura 10. Através desse acesso, seria possível controlar e ler os estados das
lâmpadas.
Figura 10: Proposta Topologia WiFi
12
Porém a implementação desse sistema teria alguns inconvenientes, como:
• Dependência da cobertura WiFi estável em todos os cômodos da casa.
• Alto custo e consumo do módulo WiFi.
• Rede descentralizada: Cada dispositivo ficaria responsável por armazenar as suas
informações, fazendo com que fossem necessárias várias comunicações para
atingir todos os dispositivos da casa.
Analisando diversos artigos que discorrem sobre esse ambiente com muitos nós
(sensores, atuadores, interfaces...), é comum recomendarem a utilização de um gateway
IoT para fazer a intermediação entre a camada de sensores e a camada de rede [6] [7] [8].
Nesse caso, os inconvenientes apontados na implementação da proposta inicial são
superados, uma vez que a utilização do gateway como centralizador da comunicação e
inteligência do sistema, permite o emprego de dispositivos mais simples, de menor custo
e consumo mais baixo, para o acionamento das lâmpadas. A Figura 11 ilustra essa
proposta de topologia.
Figura 11: Proposta Topologia Mista
Podemos observar que a comunicação entre a lâmpada projetada e o gateway é feita
através de um rádio RF, diferente da comunicação entre o gateway, smartphone e
roteador residencial, que é feita via WiFi.
O módulo RF é de consumo e custo inferior ao módulo WiFi. Além disso, o gateway surge
como um intermediário entre os dispositivos de iluminação e o acesso via aplicativo,
13
centralizando as informações de todos os dispositivos de iluminação em um único
hardware a ser acessado. A Figura 12 ilustra o diagrama de blocos completo do sistema.
Figura 12: Diagrama em Blocos Completo
Entendido através de qual interface será feita a comunicação entre os dispositivos,
podemos agora explorar melhor o que cada dispositivo deverá fazer.
3.2.1 Dispositivo de Iluminação
O dispositivo de iluminação fica responsável pelas ações que atingem diretamente o
funcionamento da lâmpada e merecem uma resposta “em tempo real”:
• Ler estado do botão e tomar providências caso necessário:
o Acender ou apagar a lâmpada.
o Comunicar ao gateway a alteração.
o Registrar em memória não volátil o estado atual.
• Receber uma mensagem solicitando a alteração do estado da lâmpada e
respondê-la com a confirmação dessa alteração.
• Em caso de queda de energia, retomar o último estado antes de ter desligado.
Esses dispositivos são equipados com um módulo RF e um microprocessador. O
microprocessador faz a leitura do interruptor e liga a lâmpada. O módulo RF é necessário
para receber as informações remotamente vindas do gateway. Cada dispositivo tem um
código único de 5 bytes, chamado de ID, que o identifica dentro da rede.
14
3.2.2 Gateway
O gateway, por sua vez, fica responsável por responder a solicitações vindas de um
aplicativo de celular conectado numa rede local. A seguir são apresentadas as funções
do gateway:
• Manter-se atualizado com as informações redundantes do estado de cada
lâmpada.
Receber e encaminhar as solicitações de atualização ou mudança de estado ao
aos dispositivos de iluminação.
• Armazenar em memória não volátil as informações de acesso WiFi.
• Armazenar o nome amigável de cada dispositivo de iluminação.
• Responder a requisições de protocolo de descoberta de rede (SSDP). [9]
O gateway é composto por duas partes principais:
• Módulo de comunicação RF interno: Faz a comunicação com os dispositivos de
iluminação;
• Módulo de comunicação WiFi: Faz a comunicação com os smartphones e a rede
externa.
3.2.3 Aplicativo de Smartphone
Já o aplicativo do smartphone foi desenvolvido com as seguintes finalidades:
• Exibir os estados dos dispositivos de iluminação.
• Alterar os estados dos dispositivos de iluminação.
• Realizar a integração entre o gateway e a rede local wireless do usuário.
• Permitir o controle da iluminação da casa por mais de um celular ao mesmo
tempo.
Todas essas funcionalidades, seguindo um dos objetivos do projeto, devem ser intuitivas
e de fácil utilização.
15
3.3 Gateway
O hardware do gateway é composto por 5 partes principais indicadas na Figura 13.
Figura 13: Diagrama de Blocos do Gateway
3.3.1 Processador + WiFi
Para atender a todas as necessidades explicitadas no tópico 3.2.2 (Gateway) foi escolhido
o microprocessador ESP8266 da Espressif. Ele está presente em vários módulos da Ai
Thinker, com formatos diferentes que se adequam para cada tipo de aplicação.
Os microprocessadores ESP8266 (Ver Figura 14) tem WiFi integrado e foram
desenvolvidos levando em conta as demandas de eficiência energética, design compacto
e estabilidade dos projetos de Internet das Coisas [10].
Figura 14: ESP8266 ESP-07
Fonte: FilipeFlop.com [11]
16
Nesse projeto utilizaremos o módulo ESP-07 fabricado pela Ai-Thinker. Esse módulo
possuí antena integrada e 9 pinos de I/O que possibilitam se comunicar com periféricos.
Uma descrição de suas principais características está abaixo [11]:
• Wireless padrão 802.11 b/g/n
• Antena cerâmica e conector U-FL
• Modos de operação: STA/AP/STA+AP
• Segurança WEP, TKIP, AES, WPA, WPA2
• Protocolo TCP/IP integrado
• Portas GPIO: 9
• Tensão de operação: 3,3V
• Conversor analógico digital (ADC)
Esse módulo, por conta da sua capacidade de processamento e disponibilidade de
memória, funcionará como processador do nosso gateway e também como o rádio WiFi
do projeto.
3.3.2 Rádio RF
O ESP-07, sem o auxílio de outros componentes ou módulos, é capaz de estabelecer a
comunicação WiFi com o smartphone e rede externa. Porém, para se comunicar através
de radiofrequência com os dispositivos de iluminação, se faz necessário um módulo de
rádio transmissor/receptor.
Para essa tarefa, utilizaremos o módulo nRF24L01. Esse módulo é fabricado pela Nordic
Semiconductor e opera na faixa ISM de 2,4GHz (a mesma que o WiFi, porém utilizando
protocolo de comunicação diferente).
Diferente do ESP8266, esse módulo não trabalha de forma standalone, ou seja, ele precisa
de um outro microprocessador que comande o envio das mensagens, altere o estado da
lâmpada e receba as informações do interruptor. A comunicação entre o nRF24L01 e o
ESP8266 é feito através do protocolo SPI (Maiores informações em [12]).
17
3.3.3 Alimentação
Ambos os módulos (ESP8266 e nRF24L01) funcionam com 3,3V. Porém, o ESP8266
precisa de uma alimentação de 3,3V bastante estável. Variações nessa alimentação faz
com que o processador funcione de maneira muito instável, reiniciando com bastante
frequência ao longo de alguma transmissão.
Além disso, o módulo possuí um consumo consideravelmente elevado, o que faz com
que seja necessário um circuito mais resiliente para mantê-lo estável.
Um estudo do consumo feito pelo Ondřej Hruška, da Czech Technical University [13]
aponta para os seguintes perfis de consumo do ESP8266:
Após ligar, o módulo possuí um período inicial de baixo consumo, em seguida, um
degrau para 300mA, depois uma sequência de pulsos mais largos de 430mA e depois
estabiliza em, aproximadamente, 67mA (Ver Figura 15)
Figura 15: Esboço Consumo na Inicialização ESP8266
Fonte: Ondřej Hruška [13]
Com o WiFi ligado, há vários pulsos de 435mA com aproximadamente 700us de duração
e 100ms de espaçamento. Entre esses pulsos, o consumo permanece constante no valor
de 67mA. (Ver Figura 16)
18
Figura 16: Leitura Osciloscópio ESP8266 Stand-by
Fonte: Ondřej Hruška [13]
Tomando essas leituras como base para o dimensionamento da fonte do módulo, temos
que garantir que a fonte de 3,3V forneça até 450mA para não prejudicar o funciomento
do módulo.
Para garantir essa alimentação constante sem abrir mão da eficiência energética,
optamos por aliar uma fonte 12V DC comercial, com um conversor buck ajustável para a
tensão de saída de 3,3V (Ver Figura 17).
Figura 17: Módulo conversor Buck LM2596
Fonte: FilipeFlop.com [14]
Por conta da sua disponibilidade no mercado e baixo custo, foi utilizado um conversor
buck comercial baseado no CI LM2596 da National Instruments [15]. De acordo com a
especificação [14], esse módulo será capaz de atender o gateway sem trabalhar no limite
19
e nem gerar um desperdício de energia. Para ajustar a tensão de saída, é necessário
calibrar através do potenciômetro de 10kΩ.
3.3.4 Placa de Circuito Impresso
Os três blocos anteriores e mais alguns componentes extras foram inseridos no
esquemático da Figura 18 para se produzir uma placa de circuito impresso.
Figura 18: Esquemático PCI Gateway
20
Esse esquemático foi impresso em uma placa de 10cm x 5cm, conforme o layout da Figura 19:
Figura 19: Layout PCI Gateway
3.4 Dispositivo de Iluminação
O dispositivo de iluminação é composto por 6 partes principais, conforme a Figura 20.
Figura 20: Diagrama de Blocos Dispositivo de Iluminação
21
3.4.1 Modificação na Instalação Original
Um dos pontos importantes para se atingir os objetivos propostos na Introdução é a
forma com que será feita a instalação desse dispositivo de iluminação. Para isso, vale
observar a forma como é feita a instalação elétrica de uma casa:
Figura 21: Ilustração Instalação Elétrica Padrão
Para evitar os problemas recorrentes nas lâmpadas inteligentes disponíveis no mercado
(Ver 2.1 Produtos comercializados), se faz necessária uma mínima alteração para garantir
que o dispositivo, que atua para ligar e desligar a lâmpada, esteja sempre energizado e
pronto para atuar.
Figura 22: Ilustração Instalação Modificada para Instalação
A instalação, seguindo o esquema da Figura 22, faz com que seja necessário cortar
somente um fio na instalação elétrica aérea da casa e conectar as duas pontas desse
corte no dispositivo de iluminação.
22
Em algumas residências, o fio de fase pode ser conectado diretamente no interruptor,
não passando pela caixa de iluminação aérea (conforme Figura 23):
Figura 23: Instalação sem fase
Nesse caso será necessária a passagem de dois fios entre a caixa do interruptor e o bocal
(identificados pelas linhas tracejadas na Figura 24).
Figura 24: Instalação com fiação extra
3.4.2 Processador + Rádio RF
O dispositivo de iluminação é composto pelo microprocessador ATMega328p e o
módulo de rádio nRF24L01. Ambos foram escolhidos por conta da sua larga escala de
produção, alta disponibilidade de bibliotecas e adequação ao custo-benefício do projeto.
3.4.3 Alimentação
Diferente do gateway, os módulos utilizados para automação da iluminação consomem
pouca corrente, permitindo que seja utilizado reguladores lineares de tensão.
23
Para avaliar a potência dissipada em cada regulador, tomemos como base a interligação
ilustrada na Figura 25:
Figura 25: Sistema de alimentação
Nesse projeto, o microprocessador ATMega328p opera em 16MHz, sendo alimentado
com 5V. No datasheet [16] a corrente típica especificada é de 5,2mA @ 5V, operando em
8MHz. Com base nesses dados, e na ausência de especificação de consumo na frequência
de operação utilizada, vamos admitir que a corrente do microprocessador será da ordem
de 10mA.
O datasheet do nRF24L01 [17] informa que a corrente em repouso do módulo de rádio
é de 22μA, porém ele atinge picos de 12,3mA na recepção (e 11,3mA na transmissão).
Figura 26: Sistema de Iluminação com valores de potência
No pior cenário, então, as correntes nos reguladores lineares de tensão gerarão uma
potência dissipada de 0,17W (ver Figura 26). Esse valor é bem pequeno quando
comparado com a potência de um painel de LED (12W).
3.4.4 Controle de Intensidade
No item 3.1.3 (Barra de LED), foram escolhidas para compor a parte de iluminação
pequenas barras de 3 LEDs, que acendem com 12V e consomem em torno de 50mA.
24
Regulador de Tensão
A forma mais intuitiva de fazer um controle de iluminação seria através do controle da
tensão entregue ao LED. Analisando dois gráficos da Figura 27 presentes no datasheet
do LED 5730 da marca Airlight [18], pode ser feito uma relação entre a tensão de entrada
e a luminosidade de saída.
Figura 27: Gráficos de Corrente e Luminosidade LED 5730
Fonte: Datasheet [18]
Porém, a forma de fazer o ajuste da tensão de saída poderia trazer mais perdas
(regulador de tensão linear ajustável) e acrescentar uma complexidade ao projeto que
iria de encontro com os objetivos iniciais.
PWM (Pulse Width Modulation)
Sendo assim, optou-se por utilizar uma outra técnica para reduzir a intensidade do brilho.
O Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso é bastante utilizado em
circuitos de controle de potência, fontes chaveadas e outras aplicações.
O PWM pode ser entendido como um interruptor que abre e fecha dentro de um
intervalo de tempo T de forma que a potência média entregue a carga no final do
intervalo seja equivalente a fração desejada (ver Figura 28).
Figura 28: Ilustração de Interruptor para PWM
Fonte: Instituto Newton C. Braga [19]
25
Por exemplo, alterando a largura do pulso, podemos alterar a potência média final
entregue à carga, como ilustrado na Figura 29:
Figura 29: Ilustração Potência Média PWM
Fonte: Instituto Newton C. Braga [19]
Esse conceito pode ser aplicado na iluminação de LED. Para a intensidade de iluminação
desejada pode-se alterar a largura do pulso de corrente no LED, fazendo com que ele
permaneça mais ou menos tempo aceso dentro de um intervalo curto T.
É importante que essa frequência de chaveamento seja mais rápida do que o olho
humano é capaz de perceber, caso contrário, acontece um efeito chamado flickering
(rápida e repetitiva mudança no estado da lâmpada [20]).
Esse piscar da iluminação não é percebido para frequências acima de 60~90Hz [21]. As
lâmpadas fluorescentes costumam operar em 100~120Hz, o que já não é mais
perceptível ao olho [20], porém ainda podem causar sintomas para o ser humano
(convulsões, dores de cabeça e outros inconvenientes).
Não cabe ao escopo esse projeto final a discussão de qual seria a frequência de
chaveamento ideal para o controle da iluminação ou como deveria ser implementado
esse controle de forma a mitigar os problemas de saúde que podem ser causados pela
dimerização do LED. Com base em um artigo da Pacific Northwest National Laboratory,
os LEDs comerciais que utilizam PWM para controlar a iluminação utilizam uma
frequência de chaveamento entre 120Hz e 480Hz. [22] Sendo assim, qualquer frequência
26
igual ou maior do que essas pode ser considerado aceitável, já que não será mais visível
ao olho humano.
O ATMega328p possuí alguns pinos com a funcionalidade de PWM. O acesso a esses
pinos é feito através da função analogWrite() e, de acordo com a documentação dessa
biblioteca [23], possuí pinos em que a frequência de oscilação é de aproximadamente
980Hz.
Para o chaveamento, foi escolhido o transistor MOSFET IRF1404 pela sua baixa
resistência na condução (tipicamente 0,004Ω @ 202A), alta velocidade de chaveamento,
alta disponibilidade no mercado, baixo custo e adequação as limitações de tensão de
acionamento e de saída (ver Figura 30).
Figura 30: Gráfico do Datasheet IRF1404 com anotações
Fonte: Datasheet IRF1404 [24] + Anotações Sobrepostas
VGS=5V
27
O circuito de chaveamento de uma carga 12V através de um pino PWM 5V do Arduino
pode ser resumido pelo esquemático da Figura 31:
Figura 31: Esquemático Acionamento PWM
3.4.5 Placa de Circuito Impresso
A união dos blocos descritos anteriormente com alguns componentes passivos
necessários para a operação, gerou o esquemático da Figura 32:
Figura 32: Esquemático do Dispositivo de Iluminação
28
O layout foi desenhado para ocupar um espaço de 10cm x 5cm, sendo idealizado para
se colocado entre a placa de LED e o teto. O layout dessa placa pode ser observado na
Figura 33:
Figura 33: Layout do Dispositivo de Iluminação
Alimentação do rádio NRF24L01
Ao longo das etapas de projeto e prototipagem, foi observada uma dificuldade na
comunicação entre os rádios NRF24L01. Após diversos testes, concluiu-se que o rádio
que ficava conectado a PCB não era capaz de receber mensagens RF.
Para isolar o problema, foi montada uma adaptação para que o conversor DC-DC (5V
para 3.3V) que alimenta o rádio ficasse externo a PCB. Nesse cenário, o rádio parou de
apresentar problemas, levando a concluir que a causa dessa dificuldade estava
relacionada a alimentação.
Nesse projeto, graças ao baixo consumo do rádio, está sendo utilizado o conversor
DC-DC AMS1117. Duas características importantes desse conversor devem ser
observadas para garantir a entrega dos 3.3V:
1. Tensão de dropout ((Vin – Vout)> Vdropout).
2. Capacitores externos próximos ao regulador (“must not exceed 4cm” [25]).
29
De acordo com a Figura 34, a tensão de dropout deve ser superior a 0,85V para correntes
baixas (como é o caso do rádio).
Figura 34: Gráfico tensão de dropout vs output current do AMS1117
Fonte: Datasheet AMS1117 [25]
A saída do conversor DC-DC (12V para 5V) está entregando 5,05V ao conversor DC-DC
(5V para 3,3V), satisfazendo a condição da tensão de dropout.
Os capacitores que acompanham o conversor, em um primeiro momento, não haviam
sido instalados próximos o suficiente do conversor. Para evitar maiores problemas, o
layout do aterramento, na PCB, também foi adaptado para o formato “em estrela” para
atender ao microprocessador e ao rádio evitando derivações e propagação de ruído.
A alteração no layout para a aproximação dos capacitores e a nova formatação da trilha
de terra foram suficientes para corrigir o problema de alimentação do rádio.
30
4. DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE
4.1 Redes de Comunicação
Nesse projeto serão duas redes de comunicação. Uma estabelecida entre o gateway e os
dispositivos periféricos e outra estabelecida entre o gateway e o smartphone.
As duas redes possuem características bastantes distintas em relação aos protocolos
utilizados, tipo de informação trafegada e robustez da rede. Isso se deve às características
das aplicações típicas de cada uma delas.
A comunicação entre o gateway e o smartphone será feita através do WiFi, portanto
suporta grandes pacotes de dados e não apresenta dificuldade em transportar muitos
caracteres.
Já a comunicação entre o gateway e os dispositivos periféricos será feito através de um
rádio RF, comumente utilizado para aplicação com sensores e IoT. Os pacotes dessa
camada podem variar até 32 bytes [17], muito diferente do padrão Ethernet de 1500
bytes [26].
Por conta dessas diferenças, um protocolo de mensagens diferente foi aplicado para
cada uma das comunicações.
4.1.1 WiFi: Gateway ↔ Aplicativo de Smartphone
Na Figura 35, é possível ver dois cenários de acesso para comandar a iluminação
residencial: Interno (através da rede local) e externo (através de um provedor de acesso
internet). O segundo cenário, por envolver maior desenvolvimento de software e
investimento em infraestrutura, não será desenvolvido nesse momento.
31
Figura 35: Esquema Acessos
A comunicação entre o gateway e o aplicativo de smartphone será feita através do WiFi.
Um pré-requisito para essa comunicação é que ela seja bidirecional, pois os comandos
dos usuários vão exigir que as comunicações sejam feitas nos dois sentidos. Por exemplo:
1. O usuário acende a luz através do interruptor: O dispositivo de iluminação deve
enviar a informação de mudança de estado para o smartphone, que atualizará a
tela principal.
2. O usuário apaga a luz através do smartphone: O smartphone deve enviar o
comando para o dispositivo de iluminação cortar a energia para o painel de LED.
Para proporcionar uma sensação de solidez e confiança ao usuário, essas duas ações
devem acontecer em tempo real, com o mínimo de atraso possível entre o comando e
ação resultante.
WebSocket
O WebSocket veio para resolver os problemas de comunicação bidirecional em tempo
real, reduzindo a complexidade, sobrecarga de mensagens e latência. [27]
A conexão se inicia como qualquer outra conexão HTTP: O cliente envia um pacote para
o servidor. Porém esse pacote solicita o upgrade do protocolo HTTP para WebSocket (ver
Figura 36). Ao retornar uma resposta aceitando o upgrade, a comunicação entre servidor
e cliente passam a ser regidas pelo protocolo do WebSocket, bidirecional e com
cabeçalhos de pacotes menos sobrecarregados (ver Figura 37).
32
Figura 36: Upgrade de Protocolo HTTP-WebSocket
Fonte: Ilustração Própria + Mensagens do protocolo do MDN web docs [28]
Figura 37: Comunicação WebSocket
Em um cenário futuro com conexão com a rede externa e acesso remoto através da
internet, o servidor HTTP e WebSocket passará a ser o servidor web externo. Esse servidor
fará a conexão entre os dois clientes: Gateway e aplicação do smartphone.
A troca de mensagens entre o gateway e a aplicação acontecerá utilizando caracteres
imprimíveis. Para simplificar a troca de mensagens em ambos os lados e evitar problemas
com alocação de memória no ESP8266, será utilizada notação JSON (Javascript Object
33
Notation). Essa notação se baseia em pares chave/valor e lista ordenada (array) de
valores. [29]
4.1.2 RF: Gateway ↔ Dispositivo de iluminação
A comunicação entre os vários dispositivos periféricos e o gateway será feita por
radiofrequência, sendo utilizado o módulo nRF24L01+ da Nordic Semiconductors [17].
Esse módulo trabalha na frequência livre (ISM) entre 2.400GHz e 2.525GHz, podendo
operar em até 126 canais de acordo com a largura de banda escolhida, garantindo a
possibilidade de se adequar a transmissão às faixas menos ocupadas por outros
protocolos que funcionam nessa banda (WiFi, bluetooth...).
Para a sua camada de link de dados, é utilizado um protocolo chamado de Enhanced
Shockburst. Esse protocolo é responsável por algumas características que dão uma maior
robustez a esse módulo, como:
• Canais lógicos implementados dentro de uma mesma faixa de frequência.
• Confirmação de recebimento de pacotes.
• Reenvio de pacotes em caso de perda.
• Tamanho de pacote variável de 1 a 32 bytes.
Endereçamento:
Para essa etapa do projeto, foram testadas duas formas de endereçamento. A “escrita
única” e a “escuta única”. A primeira apresentou problema, conforme detalhado a seguir
e a segunda funcionou, satisfatoriamente, sendo, portanto, utilizada como solução final.
Endereçamento “escrita única”:
Nas primeiras versões do gateway a forma como foi endereçado os dispositivos de
iluminação fazia com que todos os dispositivos recebessem a mesma mensagem do
gateway (ver Figura 38). Como o gateway utiliza somente um endereço para escrita, esse
modelo foi chamado de “escrita única”.
34
Figura 38: Primeira proposta de endereçamento RF
Por exemplo: Caso o gateway quisesse enviar uma mensagem para o Dispositivo 1, ele
escreveria no “Endereço0” e todos os dispositivos de iluminação receberiam essa
mensagem.
No sentido contrário, o gateway teria que escutar o endereço de cada dispositivo. O
dispositivo 1 escreveria para o gateway no “Endereço1”, dispositivo 2 no “Endereço2” e
assim sucessivamente.
Isso gerou dois problemas na implementação desse endereçamento:
1. O nRF24L01 permite escutar no máximo 6 endereços simultaneamente. Isso
limitava a 6 dispositivos de iluminação.
2. Essa forma de endereçamento fazia com que a confirmação do recebimento de
pacotes (funcionalidade do protocolo de enlace do nRF24L01) fosse enviada por
todos os dispositivos de iluminação. Isso fazia com que o gateway recebesse
uma falsa confirmação de sucesso (caso o Dispositivo 1 não estivesse
respondendo, todos os demais dispositivos enviariam uma mensagem de
acknolodge e camuflaria a dificuldade de comunicação).
Por conta desses problemas, foi proposto o modelo de “escuta única”, cuja descrição
encontra-se a seguir.
35
Endereçamento “escuta única”
Esse modelo foi construído de forma com que cada mensagem tenha somente um
dispositivo esperando para recebê-la. Dessa forma, aproveita-se a função de retry e
acknolodge do próprio protocolo embarcado no nRF24L01 e permite ao gateway escutar
mais do que 6 dispositivos de iluminação.
Os endereçamentos foram definidos de acordo com a Tabela 2:
Tabela 2: Tabela de Endereçamento nRF24L01
Endereço 1: Todos os dispositivos -> Gateway
Endereço 2: Gateway -> Dispositivo 1
Endereço 3: Gateway -> Dispositivo 2
Endereço 4: Gateway -> Dispositivo 3
(...) (...)
Endereço N: Gateway -> Dispositivo N-1
Ou seja, todos os dispositivos mandam mensagem para o gateway usando um endereço
de destino comum. Cada dispositivo escuta somente um endereço próprio. O gateway,
para responder a esse dispositivo, deve usar o endereço de cada dispositivo (ver Figura
39). Toda vez que for enviar uma mensagem, o gateway deve trocar o endereço de escrita
(só pode um por vez). Sendo assim, não há maiores implicações em se comunicar com 5
ou mais dispositivos, pois a resposta ao gateway será enviada por um endereço único.
Figura 39: Endereçamento RF
36
Para simplificar na identificação do dispositivo de iluminação, o seu endereço é o mesmo
do ID único que cada dispositivo tem. Esse ID é composto por 5 bytes, possibilitando
mais de um trilhão de combinações únicas.
Protocolo de mensagens
Embora o nRF24L01 possua várias características que garantem a robustez e confiança
da comunicação, a forma de enviar dados de um dispositivo para o outro permanece
simples.
Para padronizar todo o fluxo de mensagens entre o gateway e os dispositivos de
iluminação, foi criada uma estrutura à qual todas as mensagens transmitidas de um lado
para o outro devem obedecer rigorosamente:
Esse objeto contém quatro campos, descritos a seguir:
byte tipoDaMensagem
Esse campo determina o contexto dessa mensagem. O contexto é responsável por
representar a função e a origem dessa troca de mensagens (se ela deve se originar do
gateway ou de um dispositivo de iluminação). A função da mensagem determina como
ela será tratada no receptor e que tipo de ação ela deve fazer. O sistema utiliza três tipos
de mensagens:
“informeDeEstado” (0): É enviada a partir do dispositivo de iluminação informando o
estado atual para o gateway.
“modificarEstado” (1): É enviada a partir do gateway solicitando ao dispositivo de
iluminação que altere o seu estado.
“atualizarEstado” (2): É enviada a partir do gateway solicitando ao dispositivo de
iluminação que responda com o seu estado atual.
Objeto mensagem RF:
byte tipoDaMensagem char idDoDestinatario[tamanhoID+1] byte etapaDoProcessamento byte argumento
37
char idDoDestinatario[tamanhoID+1]
As mensagens são sempre endereçadas a um único dispositivo de iluminação. Na
implementação atual, não existem mensagens em broadcast ou endereçadas a um grupo
de dispositivos.
Esse campo carrega, então, o ID do dispositivo de iluminação ao qual se refere o contexto
da mensagem. Esse ID é o endereço usado pelo gateway para responder a esse comando.
byte etapaDoProcessamento
Esse campo carrega uma série de informações e a sua interpretação depende do byte
tipoDeMensagem. De forma geral, ele identifica se aquela é a primeira mensagem do
contexto ou se é a resposta a essa mensagem. Porém, dependendo do contexto, ele
pode carregar também o código de erro da ação solicitada.
Para um melhor entendimento, na Tabela 3, é possível verificar as possibilidades e
significados de cada valor do byte etapaDoProcessamento de acordo com o byte
tipoDeMensagem.
byte argumento
Esse byte transporta a informação principal do dispositivo de iluminação: O estado atual
ou o estado para o qual ele deve ser alterado.
Nesse projeto, estão sendo utilizados dispositivos de iluminação que permitem um ajuste
de brilho. Portanto, esse argumento pode variar de 0 a 255, sendo 0 apagado e 255 brilho
máximo.
Em situações em que as lâmpadas suportam somente ON/OFF, esse argumento se
manterá com o formato de byte, porém o range de opções será limitado para duas
opções somente, de acordo com o optado pelo projetista (Exemplo: 0 e 1, 0 e 255...).
38
Quadro resumo das mensagens RF
Na Tabela 3 é apresentado o resumo das mensagens utilizadas na comunicação RF entre o gateway e os diversos dispositivos. A ilustração das trocas de
mensagem encontra-se no exemplo da Figura 40.
Tabela 3: Resumo das mensagens RF
Descrição do comando Preenchimento da estrutura da mensagem Descrição do campo etapaDoProcessamento
info
rmeD
eEst
ad
oR
F
Mensagem utilizada para informar
o estado atual ou uma mudança de
estado do dispositivo de
iluminação.
byte tipoDaMensagem = 0 char idDoDestinatario[tamanhoID+1] = (ID) byte etapaDoProcessamento = (0/1/2) byte argumento = (0-255)
etapa = 0: Começo da comunicação
etapa = 1: Estado modificado com sucesso
etapa = 2: Não foi possível cadastrar dispositivo
mo
dif
icarE
stad
oR
F
Mensagem enviada pelo gateway
para modificar o estado do
dispositivo.
tipoDaMensagem = 1 idDoDestinatario[tamanhoID+1] = (ID) etapaDoProcessamento = (0/1/2) argumento = (0-255)
etapa = 0: Começo da comunicação
etapa = 1: Alteração feita com sucesso
etapa = 2: Estado é o mesmo do atual
atu
alizarE
stad
oR
F
Mensagem enviada pelo gateway
para solicitar o estado atual do
dispositivo de iluminação.
tipoDaMensagem = 2 idDoDestinatario[tamanhoID+1] = ID? etapaDoProcessamento = (0/1) argumento = 0-255
etapa = 0: Começo da comunicação
etapa = 1: Estado lido e sendo enviado com sucesso
39
Exemplo de troca de mensagens:
A troca de mensagens entre o smartphone, gateway e dispositivo de iluminação pode ser
vista no exemplo da Figura 40. Nesse exemplo, o usuário solicita a alteração da
intensidade de iluminação do dispositivo de iluminação identificado como “pcb01”.
Figura 40: Exemplo de comunicação
Nesse exemplo, a falha pode ocorrer em duas situações:
• Cenário solicitado pelo smartphone é o mesmo que o estado atual do Dispositivo
de Iluminação: Nesse caso, o dispositivo retorna “falha” que é encaminhada para
o smartphone.
• Dispositivo de iluminação não responde: Nesse caso, o dispositivo de iluminação
não envia o acknologde do protocolo de comunicação do nRF24L01 ou não
responde a mensagem confirmando a alteração de estado. Nesse caso, o gateway
retorna “falha” para o smartphone.
40
4.2 Software embarcado do Dispositivo de
Iluminação
Como dito anteriormente no item 3.4, o dispositivo de iluminação é composto pelo
microprocessador ATMega328p, responsável pelo controle da intensidade de
iluminação, leitura do interruptor e comunicação com o gateway. Para o desempenho
dessas funções foi desenvolvido um software específico, embarcado no
microprocessador.
As etapas de gravação e desenvolvimento deste software são descritas nas seções 4.2.1
e 4.2.2, a seguir:
4.2.1 Interface de programação
Por se tratar do mesmo microprocessador do Arduino Uno (e outras placas do mesmo
desenvolvedor), a programação do ATMega328p é feita através da IDE (do inglês,
Integrated Development Environment) do Arduino e utiliza exatamente o mesmo código
dos programas para a placa de desenvolvimento.
Figura 41: IDE do Arduino
No desenvolvimento desse projeto, está sendo utilizado como interface de programação,
a versão 1.8.5 da IDE (conforme Figura 41). O ATMega328p não possuí interface direta
para uma comunicação via USB com o computador. Para isso, foi utilizado um conversor
USB-UART baseado no chip CP2102 da Silicon Labs.
41
Esse conversor é conectado ao ATMega328p de acordo com o esquema da Figura 42:
Figura 42: Esquema para programação ATMega328p
4.2.2 Diagrama de blocos do programa
O programa para realizar a função de dispositivo de iluminação e comunicar com o
gateway através do nRF24L01 é composto pelos blocos principais desenhados na Figura
43.
Figura 43: Fluxo do programa - Dispositivo de Iluminação
42
Inserção de bibliotecas
Para estabelecer a comunicação com o módulo nRF24L01, é necessário inserir algumas
bibliotecas:
#include <SPI.h>
#include "nRF24L01.h"
#include "RF24.h"
Também se faz necessário uma biblioteca adicional para que se possa gravar e ler
informações na memória não-volátil do dispositivo:
#include <EEPROM.h>
Declaração de Variáveis
Nesse trecho, são iniciadas variáveis como:
• Endereço do gateway: Endereçamento de acordo com a descrição feita no item
4.1.2 RF: Gateway ↔ Dispositivo de iluminação.
• Pinos que serão utilizados para as interfaces (interruptor, placa de iluminação,
LEDs de estado...).
• Estrutura da mensagem: Conforme definido, também, no 4.1.2 RF: Gateway ↔
Dispositivo de iluminação.
Inicialização
Depois de inseridas as bibliotecas e declaradas as variáveis necessárias para o
funcionamento do programa, esse trecho de inicialização é executado toda vez que o
ATMega328p é inicializado, seja por acionamento do reset ou após ser energizado.
Esse trecho lê da memória não-volátil o ID do dispositivo, o estado da lâmpada, aplica o
estado atual (acende ou apaga a placa de LED) e informa ao gateway da existência desse
dispositivo de iluminação e de seu estado atual.
“Pressionou o interruptor?”
Esse trecho é executado repetidamente enquanto o dispositivo estiver energizado. Ele
serve para manter a compatibilidade com o interruptor tradicional da instalação original
do ambiente.
43
Continuamente ele verifica se há alguma mudança no estado desse interruptor. Caso
haja alguma modificação, ele altera o estado atual da placa de LED (intensidade de
iluminação) para um novo estado. Caso a iluminação esteja acesa a qualquer intensidade,
uma mudança no interruptor irá apagá-la. Caso esteja apagada, a mudança no
interruptor irá acendê-la.
Qualquer alteração no interruptor faz com que o dispositivo de iluminação altere o
estado da lâmpada e envie uma mensagem para o gateway informando a atualização.
“Recebeu mensagem RF?”
Esse trecho é executado logo após a leitura do interruptor e fica responsável por:
1. Verificar se existe mensagem do gateway.
2. Confirmar se a mensagem se destina para esse dispositivo de iluminação.
3. Executar a ação solicitada.
4. Enviar a confirmação da execução, caso necessário.
As mensagens que o dispositivo de iluminação pode receber e o fluxo de mensagens
foram expostas no item 4.1.2 RF: Gateway ↔ Dispositivo de iluminação.
4.3 Software embarcado do gateway
Existem algumas maneiras de fazer a programação de um ESP8266. Podemos utilizar um
microprocessador adicional, utilizar o ESP8266 como modem e mandar comandos AT
[30], através de um firmware que suporta programação em Lua [31] ou através da IDE do
Arduino (usando a mesma linguagem de programação do dono da IDE).
Como esse projeto já lida com uma programação através da IDE, é natural que seja mais
conveniente utilizar essa mesma forma de programação. As vantagens dessa escolha são:
• Aproveitamento de bibliotecas compartilhadas (como as de acesso as funções do
nRF24L01).
• Maior compatibilidade na declaração de variáveis.
• Facilidade na leitura dos dois códigos lado a lado.
44
4.3.1 Preparação da IDE
Para poder reconhecer e compilar para as placas ESP8266, além de baixar a IDE do
Arduino, são necessárias algumas alterações nas configurações desse software:
1. Em “Arquivos” -> “Preferências”, adicionar o link
<http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json> à
listagem de “URLs Adicionais para Gerenciadores de Placas”.
2. Em “Ferramentas” -> “Placa” -> “Gerenciador de Placas”, deve-se localizar a
opção “esp8266 by ESP8266 Community” e instalar.
Feito essas alterações, já é possível compilar um código de Arduino para uma placa
ESP8266. Algumas bibliotecas que dão acesso a funcionalidades de WiFi, servidor e
pontos de acesso [32] são adicionadas para uso exclusivo pelas placas ESP8266. Através
delas se faz todas as ações relacionadas a redes que o Arduino não é capaz de fazer.
4.3.2 Interface de programação
Da mesma forma que o ATMega328p, o ESP8266 não possui interface USB. Para a
programação, se faz necessário uma conexão parecida com a anterior, porém com
algumas alterações respeitando os modos de operação dele (ver Figura 44).
Figura 44: Esquemático para Programação ESP8266
45
Vale lembrar que:
• O ESP8266 opera com 3,3V, fazendo com que seja necessário um divisor de
tensão para o seu pino RX.
• O conversor USB-UART é compatível com dispositivos 3,3V, o que permite que a
comunicação seja feita sem um conversor USB 3,3V-5V.
• O ESP8266 consome mais do que o regulador de tensão do conversor serial
consegue fornecer. Sendo assim, é necessário usar uma fonte externa para
alimentar o módulo e fazer a conexão de terra entre as placas para evitar
problemas na leitura.
O ESP8266 possuí 3 modos de inicialização diferentes resumidos na Tabela 4:
Tabela 4: Modos de inicialização ESP8266
GPIO15 GPIO0 GPIO2 Modo Descrição
L L H UART Para download de programa via UART
L H H Flash Inicialização pela memória FLASH
H x x SDIO Inicialização pelo cartão SD
Fonte: Comunidade ESP8266 GitHub [33]
Nesse projeto, só utilizaremos os dois primeiros modos. Por esse motivo o pino GPIO15
fica conectado ao terra através de um resistor pull-down. O pino CH_PD deve estar
conectado ao +VCC para que o módulo inicie.
Para fazer o download de um novo código para a memória Flash do ESP8266, se faz
necessário segurar o botão UPLOAD pressionado e apertar o botão RESET. Ao fazer isso,
o módulo inicia no modo “UART” e aguarda o carregamento de um novo código através
da conexão serial com o adaptador USB-UART.
46
4.3.3 Diagrama de blocos do programa
O programa do gateway possuí uma estrutura complexa. Porém para fins ilustrativos do
seu funcionamento, exploraremos somente os seus blocos principais descritos na Figura
45.
Figura 45: Fluxo do Programa – Gateway
Inserção de bibliotecas
Assim como no programa do dispositivo de iluminação, é necessário inserir bibliotecas
para a comunicação entre o nRF24L01 e o ESP8266:
#include "nRF24L01.h"
#include "RF24.h"
Também são necessárias bibliotecas para a gravação na memória não volátil:
#include <EEPROM.h>
#include "EEPROMAnything.h"
47
Outras bibliotecas atendem funções específicas:
• #include <ESP8266SSDP.h>: Ser encontrado em uma rede através do protocolo
de descoberta de rede (SSDP). [9]
• #include <ArduinoJson.h>: Permitir que a troca de mensagens entre o
aplicativo e o gateway seja feita usando a formatação JSon.
• #include <ESP8266WiFi.h>: Garantir o funcionamento de funções para conexão
WiFi.
• #include <WebSocketsServer.h>: Permitir a criação de um servidor para receber
as conexões do aplicativo.
• #include <ESP8266WebServer.h>: Aceitar a comunicação via WebSocket.
Declaração de variáveis
Algumas das variáveis iniciadas nesse trecho são:
• Nome e senha do ponto de acesso a ser criado para fazer a configuração inicial.
• Objetos responsáveis por lidar com as conexões do aplicativo.
• Estrutura das mensagens que serão trocadas com o dispositivo de iluminação.
• Estrutura que armazenará os dispositivos conectados.
Inicialização
Inicialmente o gateway localiza em sua memória interna o nome e a senha da rede WiFi.
Caso elas não sejam válidas, o ESP8266 cria, automaticamente, uma rede WiFi e aguarda
a conexão pelo aplicativo para receber as informações de uma nova rede.
Após conseguir se conectar a uma rede são configuradas as informações para que o
gateway possa responder ao protocolo de descoberta de rede. Todos os dispositivos na
rede local com capacidade para responder a esse protocolo de descoberta de rede irão
enviar suas informações para quem solicitou. O aplicativo de smartphone fará essa
verificação inicial na rede e, caso encontre o gateway, fará a conexão sem que o usuário
tenha que configurar nada a mais.
Terminadas essas configurações iniciais, o gateway está pronto para entrar no seu loop
de verificações.
48
“Recebeu mensagem via Web?”
Nessa etapa da verificação, o ESP8266 procura por clientes que queiram fechar uma
conexão com ele ou por mensagens WebSocket que ele possa responder.
Caso encontre uma mensagem, o programa fará o tratamento adequado: Responder
diretamente ou acionar um dispositivo de iluminação para performar uma ação.
“Recebeu mensagem RF?”
Através do rádio nRF24L01, o gateway pode receber mensagens informando a mudança
dos estados dos dispositivos de iluminação já cadastrados ou de um novo dispositivo.
Ao receber uma mudança de estado, o ESP8266 notifica os aplicativos de smartphone
conectados via WebSocket.
4.4 Aplicativo para Smartphone
O aplicativo de smartphone no dia a dia servirá para ler e alterar os estados da lâmpada.
Porém parte da sua complexidade de programação está na integração inicial entre o
gateway e a rede local do usuário.
Como dito na sessão 3.2.3 Aplicativo de Smartphone, o aplicativo de smartphone tem
quatro funções principais. Essas quatro funções aparecem no aplicativo nessa ordem:
1. Fazer a integração inicial entre o gateway e a rede local.
2. Exibir o estado atual da lâmpada.
3. Permitir alterar o estado atual da lâmpada. Permitir o controle da iluminação da casa
por mais de um celular ao mesmo tempo.
4.4.1 Estratégia de desenvolvimento
Existem diversas formas de atingir o objetivo. Uma ideia inicial seria criar uma página
simples no próprio servidor HTTP no ESP8266 que exibisse os estados e permitisse trocá-
los.
Porém essa abordagem traz dois problemas:
1) Informar pela primeira vez ao ESP8266 as credenciais da rede local.
2) Impossibilidade de expansão para o cenário de acesso externo a rede local.
49
Sendo assim, a melhor opção seria criar um aplicativo para o smartphone que fizesse essa
integração inicial e fosse buscar as informações de estado em qualquer lugar que o
gateway estivesse (na rede local ou através de um servidor externo).
Existem disponíveis diversas formas de criar um aplicativo para smartphone. A escolhida
para esse projeto foi através de um framework chamado Adobe PhoneGap, uma
distribuição em código aberto do Apache Cordova. Ambos os frameworks têm como
objetivo a criação de aplicativos para smartphone usando linguagens comuns ao
desenvolvimento web (HTML, CSS e JavaScript) [34].
As vantagens que fizeram optar pelo Adobe Phonegap em vez de outras opções são:
1) Disponibilidade de documentação.
2) Multi plataforma: É possível gerar aplicativos para Android e iPhone com o
mesmo código fonte de origem.
3) Principais funções compatíveis com navegador web: É possível testar boa parte
do programa acessando diretamente no computador através de um navegador.
4) Aproveita os plugins do Cordova: Algumas funcionalidades necessárias para o
aplicativo são feitas através de plugins compatíveis.
4.4.2 Configuração inicial do Gateway via
Smartphone
Embora a essa função aconteça somente na primeira vez que o gateway é instalado em
uma residência, essa etapa é responsável por boa parte da complexidade do aplicativo.
Para o gateway se conectar na rede WiFi do usuário, é necessário que de alguma forma
o nome da rede e a senha sejam inseridos no ESP8266. A inserção dessa informação
pode ser feita de diversas formas:
• Utilizando uma porta USB e estabelecendo uma conexão serial entre o
computador e o ESP8266.
• Escrevendo um arquivo texto em um cartão de memória e inserido o mesmo em
um leitor de cartão.
• Teclando em um teclado ou tela touchscreen instalado na estrutura do gateway.
• Se conectando através de um teclado bluetooth.
50
• Ou estabelecendo uma conexão através de um Access Point e inserindo as
configurações através de um smartphone.
Embora a última técnica seja provavelmente a mais trabalhosa de ser implementada, ela
alia a facilidade de uso e o baixo investimento em módulos extras para a conexão. Por
esse motivo, essa opção de inicializar o ESP8266 na sua rede doméstica foi a forma
escolhida para ser implementada nesse projeto.
O usuário deve instalar em seu smartphone um aplicativo que o guiará pelas etapas do
processo de inicialização. Uma melhor descrição da lógica e da verificação que o
aplicativo faz ao ser iniciado pode ser encontrada na Figura 46. As respostas do aplicativo
aos três cenários mais comuns são resumidas abaixo:
1) Iniciando o aplicativo e o gateway pela primeira vez: O aplicativo irá solicitar
que o usuário pressione o botão de criação de rede no gateway, fazendo com
que ele crie uma rede WiFi para que o smartphone se conecte nela. Ao se
conectar, o smartphone exibirá as redes disponíveis e solicitará que o usuário
digite a senha da rede WiFi em que deseja se conectar. Com essas informações o
gateway fará o registro na rede doméstica do usuário e desligará a rede criada. A
partir desse ponto, toda a comunicação passa a ser feita através da rede
doméstica.
2) Iniciando o aplicativo pela primeira vez em um gateway já registrado na
rede doméstica: Com o smartphone conectado na rede doméstica, o aplicativo
irá questionar rapidamente todos os dispositivos que estão na rede doméstica.
Caso algum desses dispositivos responda como um gateway, o smartphone fará
a conexão com ele.
3) Iniciando um aplicativo com um gateway já registrado: O smartphone tem
salvo o endereço do último acesso ao gateway. O aplicativo tentará o contato
através desse endereço. Caso não consiga, ele seguirá através do
questionamento do cenário 2.
51
Figura 46: Fluxograma de decisões aplicativo
52
4.4.3 Leitura e mudança de estado da lâmpada
O maior tempo do usuário será gasto interagindo com essa tela. Nela são exibidos os
estados atuais dos dispositivos de iluminação que já se comunicaram com o gateway. Ao
iniciar o aplicativo (depois de já ter sido feita a configuração de rede), o smartphone envia
uma mensagem para o gateway solicitando os dispositivos de iluminação e os estados
deles. Essa resposta é exibida na tela do aplicativo.
Ao clicar sobre um dos dispositivos, o usuário pode alterar a intensidade do brilho
desejado. Ao escolher uma intensidade, ocorre uma troca de mensagens entre o
smartphone e o gateway, que desencadeia uma troca entre o gateway e o dispositivo de
comunicação (conforme a Tabela 3: Resumo das mensagens RF).
Figura 47: Interface do usuário
53
5. PROTÓTIPO E RESULTADOS
5.1 Sistema em escala
Para fins ilustrativos, foi montado um sistema com 3 dispositivos de iluminação e 1
gateway (Figura 48).
Figura 48: Maquete demonstrativa
Esse sistema foi montado com 3 versões diferentes do dispositivo de iluminação (cada
uma com um aprimoramento de layout ou processo de fabricação) e 1 gateway.
Figura 49: Dispositivo de iluminação montado
54
Figura 50: Gateway montado
Para fins demonstrativos, foi usado uma única fonte comercial de 12V (máximo 1,5A)
para alimentar todos os dispositivos. Em um cenário real, deve-se usar uma fonte para
cada dispositivo de iluminação para suportar o consumo da barra de LED.
Como o aplicativo foi feito à medida que os hardwares estavam sendo desenvolvidos,
não foram necessárias grandes adaptações entre os protótipos inicias e o protótipo final
do software.
Figura 51: Imagens do Aplicativo
55
5.2 Teste de carga
Foi realizado também um teste de carga para verificar se o transistor IRF1404 seria capaz
de chavear tamanha corrente sem esquentar.
O objetivo seria verificar o comportamento do dispositivo de iluminação em condições
normais, em que iria operar um conjunto de barras de LED de 16W, composto por 24
barras de LED que consomem, aproximadamente, 1.3A (de acordo com a caraterização
feita na Tabela 1).
Foram testados com sucesso dois cenários:
1. VGS = 5V: Simular o brilho máximo do LED, com o objetivo de testar se o
comportamento estático do IRF1404.
2. Brilho a 50%: Com o objetivo de verificar o aquecimento do IRF1404 ao chavear
correntes mais altas.
No primeiro teste, foi possível verificar uma tensão VDS = 54mV, o que caracteriza uma
RDS = 0,04Ω. Esse valor é consideravelmente mais alto que o valor do datasheet
(RDS=0,004Ω), porém cabe observar que o VGS utilizado na especificação do transistor
(VGS=10V) é maior que o utilizado nesse teste (VGS=5V).
Figura 52: Montagem para medição de VDS com VGS constante
56
6. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
Após feitos os testes e protótipos expostos no capítulo anterior, é possível avaliar alguns
pontos referentes a esse projeto.
6.1 Preço final
Para ter uma aproximação do custo de produção desses equipamentos, tomemos como
base o preço dos principais componentes e da fabricação da placa de circuito impresso
de 50 conjuntos compostos por 1 gateway e 5 dispositivos de iluminação (12W – 16
placas de LED por lâmpada).
Os componentes foram cotados no site chinês Alibaba [35] que conecta fornecedores a
compradores em quantidade. Os preços foram baseados na quantidade a ser comprada.
Já a fabricação das placas foi cotada em um site de fabricação de PCB chinês chamado
JLCPCB [36]. A montagem das placas não pode ser cotada, ficando como um item
pendente para terminar a produção.
O resumo dessa cotação está na Tabela 5:
Tabela 5: Cotação de preços de componentes
Fonte: Alibaba [35] e JLCPCB [36]
DispositivoDisp
IluminaçãoGateway
Qtdd.
Total
Preço
Unitário *Total *
nRF24L01 1 1 300 0,94$ 282,00$
ESP8266 ESP07/ESP12 0 1 50 1,80$ 90,00$
ATMega328p 1 0 250 1,00$ 250,00$
Conector 2 Vias 3 1 800 0,07$ 56,00$
Push Button 1 3 400 0,01$ 4,00$
DSN2596 0 1 50 1,50$ 75,00$
IRF1404 1 0 250 0,70$ 175,00$
AMS1117 1 0 250 0,17$ 42,50$
LM7805 1 0 250 0,10$ 25,00$
Cristal 16Mhz 1 0 250 0,05$ 12,50$
LEDs 2 0 500 0,03$ 15,00$
Placa 3 LEDs 16 0 4000 0,04$ 156,00$
Dissipador de Calor 2 0 500 0,10$ 50,00$
Componentes Passivos 12 8 3400 0,02$ 68,00$
PCB Iluminação 5 0 1250 0,58$ 721,25$
PCB Gateway 0 1 50 0,92$ 46,00$
2.068,25$
41,37$ Total por conjunto
Total:
Qtdd. por
* Valores em dólar.
57
Fazendo uma estimativa com base no serviço Importa Fácil dos Correios [37] e o valor
do dólar no dia 03/08/2018 [38]:
𝑃𝑟𝑒ç𝑜𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 𝑃𝑟𝑒ç𝑜𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 × 𝐶𝑜𝑡𝑎çã𝑜𝐷ó𝑙𝑎𝑟 × (1 + 𝑇𝑎𝑥𝑎𝐼𝑚𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜) + 𝑇𝑎𝑥𝑎𝑎𝑑𝑢𝑎𝑛𝑒𝑖𝑟𝑎 =
= 2068 × 3,70 × 1,6 + 250 ≅ R$12500
Isso daria um custo de material de R$250 por sistema de iluminação. Levando em conta
o preço da lâmpada de LED da marca FLC (R$117 – Ver 2.1), um conjunto de cinco
lâmpadas da FLC custaria cerca de R$575 reais. Logo, só o material necessário para
produzir um sistema de iluminação ficaria metade do preço final de um sistema usando
as opções do mercado.
Logo, do ponto de vista financeiro, o sistema ainda não é competitivo. Nessa análise, não
são levados em conta as melhorias desse projeto em relação as opções do mercado e
reduções de custo de matéria prima e produção para maiores quantidades.
6.2 Fácil instalação
Um dos problemas encontrados no estudo dos produtos comerciais disponíveis no
mercado foi a perda do controle da lâmpada, pelo smartphone, ao desligar o interruptor.
Isso acontece, porque o sistema que liga ou desliga a iluminação através do smartphone
estava conectado em série ao interruptor. Ao ser desligado, o controle perdia a sua
energização.
Para resolver esse problema, foi necessário abrir mão da instalação sem nenhuma
intervenção na elétrica atual em benefício de poder controlar a iluminação
simultaneamente pelo interruptor e pelo smartphone.
Mesmo assim, da forma em que foi projetado, a instalação será simplificada em todos os
cômodos em que os fios de neutro e fase passarem pelo bocal da iluminação antes de
atingir a lâmpada e o interruptor. (Ver trecho 3.4.1 Modificação na Instalação Original).
Caso o fio fase vá direto ao interruptor, sem passar pelo bocal, será necessária a
passagem de dois fios entre a caixa do interruptor e o bocal, conforme explicado
anteriormente no item 3.4.1.
58
6.3 Fácil utilização
Graças a solução de interface já citada no item anterior, o interruptor normal de parede
pode continuar sendo utilizado sem causar impactos na solução utilizada para controle
da iluminação via smartphone.
Outro ponto que possibilita a fácil utilização está na integração inicial feita pelo
smartphone e pelo gateway. Através dos fluxos de mensagem e de telas do aplicativo, é
possível localizar o gateway e repassar as credenciais do WiFi de forma simples, sem a
necessidade de programação ou intervenção direta sobre o gateway.
6.4 Eficiência Energética
Com objetivo de se ter uma primeira aproximação da eficiência do sistema, levemos em
conta as estimativas de consumo do ATMega328p (ver 3.4.3) e as medidas do ESP8266
feita pelo Ondřej Hruška (ver 3.3.3), resumidas Tabela 6.
Tabela 6: Expectativa de Consumo Geral
Dispositivo Consumo Estimado por unidade Consumo Total
Gateway 𝑃𝐺𝑎𝑡 = 3,3𝑉 × 70𝑚𝐴 ≅ 0,23𝑊 𝑃𝐺𝑎𝑡𝑇𝑜𝑡 = 0,23𝑊
Iluminação 𝑃𝐼𝑙𝑢𝑚 = 12𝑉 × 22𝑚𝐴 ≅ 0,26𝑊 𝑃𝐼𝑙𝑢𝑚𝑇𝑜𝑡 = 5 × 0,26𝑊 ≅ 1,3𝑊
Fonte: Sessões 3.3.3 e 3.4.3.
Supondo uma margem de erro alta de 30%, devido a eficiência das fontes chaveadas e
algumas perdas que possam ocorrer em componentes passivos do circuito, teremos uma
potência total de:
𝑃𝑇 = (𝑃𝐺𝑎𝑡𝑇𝑜𝑡 + 𝑃𝐼𝑙𝑢𝑚𝑇𝑜𝑡 ) ∗ 1,3 = 2,0𝑊
Supondo que esse sistema ficará ligado 24h/dia, todos os dias do mês, essa potência em
standby gerará um consumo de 1,4kWh/mês. Isso equivale a cerca de R$1,05/mês, de
acordo com as tarifas da Light para uma residência que consome
entre 50 e 300 kWh [39].
O consumo gerado ao acionar as barras de LED pode ser considerado o mesmo de uma
lâmpada comercial, pois o seu acionamento é feito através de um transistor MOSFET,
cuja RDS=0,004Ω quase não dissipa potência quando em condução.
59
Vale lembrar que o sistema de iluminação pode gerar uma economia de energia ao criar
a possibilidade de um acionamento gradual da luz (em vez de ligado e desligado como
as lâmpadas convencionais).
6.5 Trabalhos Futuros
Alguns pontos ainda podem ser melhorados e outras funcionalidades podem ser
acrescentadas, como por exemplo:
• Informar, pelo aplicativo, uma estimativa de gasto de energia com iluminação do
imóvel;
• Expandir o protocolo de comunicação e a topologia de rede para ler sensores e
atuar em outras partes da casa (medir temperatura, detectar presença, acionar
abertura de janelas e portas...);
• Miniaturização da PCB, utilizando componentes SMD e processo de fabricação
profissional;
• Utilizando um servidor externo com recursos de autenticação, tornar possível
controlar a casa de uma rede pública (WiFi ou rede de dados do celular).
60
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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