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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ – UNIOESTE CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS CAMPUS DE FOZ DO IGUAÇU CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CONCEITOS DE DOMÓTICA APLICADOS A UMA PEQUENA AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL VIVIEN DE LIMA NUNEZ ULLON FOZ DO IGUAÇU - PR 2013
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ – UNIOESTE
CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS
CAMPUS DE FOZ DO IGUAÇU
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CONCEITOS DE DOMÓTICA APLICADOS A UMA PEQUENA AUTOMAÇÃO
RESIDENCIAL
VIVIEN DE LIMA NUNEZ ULLON
FOZ DO IGUAÇU - PR
2013
VIVIEN DE LIMA NUNEZ ULLON
CONCEITOS DE DOMÓTICA APLICADOS A UMA PEQUENA AUTOMAÇÃO
RESIDENCIAL
Relatório de trabalho de conclusão de curso
apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da
Universidade Estadual do Oeste do Paraná,
como parte dos requisitos para obtenção do título
de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. Eduardo Azevedo Pacheco
FOZ DO IGUAÇU
2013
"Aqui, no entanto, nós não olhamos para trás por muito
tempo. Nós continuamos seguindo em frente, abrindo
novas portas e fazendo coisas novas. E sabe por
quê? Porque somos curiosos… e a curiosidade
continua nos conduzindo por novos caminhos."
Walt Disney
RESUMO
ULLON, Vivien de Lima N. (2013). Conceitos de Domótica aplicados a uma pequena
automação residencial. Monografia de Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) –
Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual do Oeste do Paraná –
UNIOESTE, Foz do Iguaçu, 2013.
O presente trabalho tem por objetivo desenvolver uma aplicação prática de automação
residencial. Apresenta-se uma revisão bibliográfica da Domótica, dos microcontrolado-
res, dos sistemas supervisórios e redes industriais como estratégia de traçar um
panorama geral a respeito da automação residencial. A partir disso, projetou-se um
pequeno sistema automatizado constituído por microcontroladores e um sistema
supervisório. Sua função principal consiste em acionar atuadores de acordo com
condições impostas aos sensores ou a partir de um operador, por meio de uma
interface.
Palavras-chave: domótica, sistema supervisório, microcontroladores.
ABSTRACT
ULLON, Vivien de Lima N. (2012). Conceitos de Domótica aplicados a uma pequena
automação residencial. Monografia de Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) –
Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual do Oeste do Paraná –
UNIOESTE, Foz do Iguaçu, 2012.
This study aims to develop a useful application of home automation. A strategy to draw
an overview about home automation is presented through a bibliographic review of
home automation, microcontrollers, supervisory systems and industrial networks. From
this, it was designed a small automated system consisting of microcontrollers and
supervisory system. Its main function is to drive actuators according to conditions
imposed on sensors or from an operator by means of an interface.
Key-words: home automation, supervisory system, microcontrollers.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1- Elementos básicos de um sistema domótico. ..................................................................13
Figura 3.1- Diagrama geral dos microcontroladores. ..........................................................................17
Figura 3.2 - Arquiteturas Von Neumann. ...............................................................................................18
Figura 3.3 - Arquiteturas Harvard. ..........................................................................................................19
Figura 3.4 - Microcontrolador PIC18F45K80. .......................................................................................21
Figura 4.1 - Partes de um sistema supervisório. ..................................................................................24
Figura 5.1 - Níveis de uma automação industrial .................................................................................28
Figura 5.2 - Topologias padrão ...............................................................................................................29
Figura 6.1 - Curva característica do foto-resistor. ................................................................................38
Figura 6.2 - Símbolo elétrico e um LDR comercial. .............................................................................39
Figura 7.1- Diagrama do projeto desenvolvido. ....................................................................................43
Figura 7.2 - Configuraçõesão do driver RS-232 ...................................................................................45
Figura 7.3 - Configurações das tags ......................................................................................................45
Figura 7.4 - Lista de comandos das tags ...............................................................................................46
Figura 7.5 - Scripts do botão 1 ................................................................................................................46
Figura 7.6 - Tela com os displays e os botões de acionamento ........................................................47
Figura 7.7 - Diagrama de ligações do microcontrolador mestre. .......................................................48
Figura 7.8 - Estrutura do frame enviado pelo barramento serial RS-485. ........................................49
Figura 7.9 - Diagrama de ligações do microcontrolador escravo ......................................................50
Figura 7.10 - Diagrama de ligação do sensores LM35 ........................................................................51
Figura 7.11 - Diagrama de ligação do LDR ...........................................................................................52
Figura 7.12 - Diagrama de ligação do MAX232 e do MAX485 ..........................................................52
Figura 7.13 - Diagrama de blocos do sistema proposto ......................................................................53
Figura 7.14 - Fluxograma do sistema proposto ....................................................................................54
Figura 8.1 - Simulação dos sensores de luminosidade .......................................................................55
Figura 8.2 - Simulação dos sensores de luminosidade .......................................................................56
Figura 8.3 - Simulação do funcionamento entre mestre e escravo ...................................................57
Figura 8.4 - Simulação entre microcontrolador e supervisório ...........................................................58
Figura 8.5 - Simulação entre microcontrolador e supervisório ...........................................................59
SUMÁRIO
RESUMO ......................................................................................................................................................... 3
ABSTRACT ....................................................................................................................................................... 5
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ................................................................................................................................... 6
SUMÁRIO ........................................................................................................................................................ 7
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................................................10
1.1 Descrição do Problema ......................................................................................................................10
1.2 Justificativas .......................................................................................................................................10
1.3 Objetivos ............................................................................................................................................10
1.3.1 Objetivo Geral .............................................................................................................................10
1.3.2 Objetivos Específicos ...................................................................................................................10
2 DOMÓTICA ...........................................................................................................................................11
2.1 Introdução ..........................................................................................................................................11
2.2 Breve resumo histórico ......................................................................................................................11
2.3 Características de um sistema de automação residencial .................................................................12
2.4 Vantagens da Domótica .....................................................................................................................14
2.5 Sistemas utilizados na Domótica .......................................................................................................14
3 MICROCONTROLADORES .....................................................................................................................16
3.1 Introdução ..........................................................................................................................................16
3.2 Definição ............................................................................................................................................16
3.3 Diagrama geral dos microcontroladores ...........................................................................................16
3.4 Arquiteturas de microcontroladores .................................................................................................18
3.5 Características dos microcontroladores ............................................................................................19
3.6 Conjunto de instruções ......................................................................................................................20
3.7 Microcontroladores comerciais .........................................................................................................20
3.8 Microcontroladores PIC .....................................................................................................................21
4 SISTEMAS SUPERVISÓRIOS ...................................................................................................................23
4.1 Introdução ..........................................................................................................................................23
4.2 Funções de um sistema supervisório .................................................................................................23
4.3 Arquitetura de um Sistema Supervisório ...........................................................................................23
4.4 Elementos de um sistema SCADA ......................................................................................................24
4.5 Sistemas supervisórios existentes .....................................................................................................25
5 REDES INDUSTRIAIS ..............................................................................................................................27
5.1 Introdução ..........................................................................................................................................27
5.2 Níveis hierárquicos de uma rede industrial .......................................................................................27
5.3 Componentes das redes industriais ...................................................................................................28
5.4 Topologias de rede .............................................................................................................................29
5.5 Classificação das redes industriais .....................................................................................................30
5.6 Modo de acesso ao barramento ........................................................................................................31
5.7 Padrões de interface serial ................................................................................................................32
5.8 Arquiteturas de rede e o modelo OSI ................................................................................................32
5.9 Protocolos de comunicação para redes industriais ...........................................................................33
6 SENSORES E ATUADORES .....................................................................................................................35
6.1 Introdução ..........................................................................................................................................35
6.2 Definições...........................................................................................................................................35
6.3 Características importantes ...............................................................................................................36
6.4 Classificação dos sensores .................................................................................................................36
6.5 Classificação dos atuadores ...............................................................................................................40
7 METODOLOGIA .....................................................................................................................................42
7.1 Introdução ..........................................................................................................................................42
7.2 Sistema proposto ...............................................................................................................................42
7.2.1 Sistema supervisório ...................................................................................................................43
7.2.2 Microcontrolador mestre ............................................................................................................47
7.2.3 Microcontroladores escravos ......................................................................................................49
7.2.4 Sensores e atuadores utilizados ..................................................................................................51
7.2.5 Comunicação ...............................................................................................................................52
7.3 Descrição do sistema em funcionamento ..........................................................................................53
8 RESULTADOS ........................................................................................................................................55
8.1 Simulação ...........................................................................................................................................55
8.1.1 Nós e sensores.............................................................................................................................55
8.1.2 Interação entre mestre e escravo ...............................................................................................56
8.1.3 Conexão dos microcontroladores com o sistema supervisório ..................................................58
8.1.4 Sistema completo ........................................................................................................................58
9 DISCUSSÕES E CONCLUSÕES ................................................................................................................60
9.1 Resultados obtidos .............................................................................................................................60
9.2 Dificuldades encontradas ...................................................................................................................60
9.3 Análise dos resultados .......................................................................................................................60
9.4 Trabalhos futuros ...............................................................................................................................61
9.5 Conclusões .........................................................................................................................................61
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................................................................62
APÊNDICE 1 - Código do microcontrolador mestre .....................................................................................64
APÊNDICE 2 - Código do microcontrolador escravo ....................................................................................70
1 INTRODUÇÃO
1.1 Descrição do Problema
Atualmente, os sistemas domóticos são comprados em blocos, isto é, não são
projetados individualmente para cada cliente. O sistema proposto pretende utilizar
conceitos básicos de automação industrial aplicados à Domótica como modo de
demonstrar a possibilidade de projetar um sistema simples e de baixo custo.
1.2 Justificativas
Nas últimas duas décadas, a automação tem-se se tornado componente
importante também nas instalações residênciais e prediais. Há uma diversidade de
tecnologias de diferentes fabricantes, que permitem configurar a residência de acordo
com a necessidade do cliente. No entanto, os atuais sistemas domóticos têm que ser
importados e são vendidos apenas em blocos, isto é, caixas pretas que são conectados
de modo a obter o sistema desejado.
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo Geral
Desenvolver um sistema de automação que controle um processo baseado em
microcontroladores, sistema supervisório e padrões seriais de modo a gerenciar o
funcionamento de atuadores a partir da leitura de sensores e de comandos origidados
pelo usuário.
1.3.2 Objetivos Específicos
Realizar uma revisão bibliográfica de microcontroladores, redes industriais,
sistemas supervisórios e sensores e atuadores;
Projetar um sistema domótico baseado em microcontroladores e um sistema
supervisório;
Simular o sistema.
2 DOMÓTICA
2.1 Introdução
Derivada da palavra domus que significa "casa" em latim, a Domótica é uma
subdivisão da automação, que consiste no gerenciamento e controle de tarefas
domésticas. Também denominada automação residencial, a Domótica é a ciência
interdiciplinar que utiliza a engenharia para automatizar instalações residenciais, nos
quais inclui-se casas, apartamentos e escritórios (BOLZANI, 2004; TEZA, 2002;
MURATORI e DAL BÓ, 2011).
Em uma casa, atualmente, há diversos dispositivos ou sistemas que executam
diferentes tarefas, tais como telefonia, iluminação, climatização de ambientes e alarmes
(BOLZANI, 2004). A evolução das redes domésticas e por consequência, da automação
residencial, proporcionou a possibilidade de comunicar esses dispositivos eletro-
eletrônicos, através de uma rede física por meio de protocolos, e controlá-los utilizando
um integrador. Este, por sua vez, consiste em um gerenciador central responsável pela
operabilidade conjunta do sistema como um todo, que permite unificar os controles e
processos de modo a torná-los mais simples. Isto só é possível com uma rede
interligada, um padrão mínimo de telecomunicações e um conceito de infraestrutura
comum (BOLZANI, 2004). Além disso, automação residencial pode ser sinônimo de
controlar remotamente, economizar energia e aumentar o conforto.
2.2 Breve resumo histórico
2.2.1 Automação
Por automação entende-se qualquer processo que substitua o ser humano na
execução de suas tarefas. Logo, a automação surgiu na antiguidade com a
mecanização de algumas tarefas, tais como moagem e trituração de grãos. Mas foi na
Revolução Industrial no século XVIII que houve o maior salto tecnológico (BARSA,
2002). Um tear com lançadeira foi o primeiro dispositivo automático; a partir de então,
ocorreram numerosas inovações.
No século XX, a automação foi um grande aliado da produção industrial,
aumentando a produtividade e proporcionando segurança aos trabalhadores. A adoção
de linhas de montagem, introduzido por Henry Ford em 1913, revolucionou a indústria
automobilística multiplicando ainda mais a produção e reduzindo o intervalo de tempo.
Em 1947, os cientistas da Bell Telephone Laboratories inventam o transistor. Ao
substituir os relés, o transistor reduziu significativamente a complexidade dos processos
e possibilitou o surgimento de todos os dispositivos eletrônicos que conhecemos
atualmente, tais como computadores, que são a base para a automação industrial.
2.2.2 Automação residencial
A automação residencial, assim como a predial, derivam da automação utilizada
nas indústrias, cujo desenvolvimento tem se te dado a partir da Revolução Industrial. As
primeiras tentativas de automatizar processos em residências datam do final dos anos
70 nos Estados Unidos. Porém os projetos e a implementação começaram a acontecer
por volta de1980 (BARSA, 2002).
Com o avanço das tecnologias dos computadores pessoais, da internet e da
telefonia móvel, a automação residencial tornou-se uma realidade mais palpável nas
últimas duas décadas, e tem evoluído com a popularização dessas tecnologias somada
ao aumento de oferta e à redução dos preços (BARSA, 2002).
O setor de automação residencial tem evoluído nos últimos anos. Atualmente há
uma oferta melhor de equipamentos disponíveis, direcionadas a todos os tipos de
residências, com um preço mais acessível, maior qualidade e de fácil manuseio. Ao
mesmo tempo, as instalações domóticas têm se aperfeiçoado e aumentado sua
confiabilidade.
2.3 Características de um sistema de automação residencial Atualmente, há elementos básicos que caracterizam um sistema domótico -
sensores, atuadores, controladores, barramentos e interfaces (ACCARDI e DODONOV,
2002). Controladores são os dispositivos que controlam sensores e atuadores, que
enviam as informações coletadas nos ambientes e ativam os equipamentos
automatizados, respectivamente. A interface proporciona ao usuário interação com o
sistema automatizado. O barramento define o meio físico pelo qual os dados serão
transmitidos entre os demais elementos do sistema. Esses elementos constituem um
sistema de automação residencial inteligente (Figura 2.1).
Figura 2.1- Elementos básicos de um sistema domótico. Fonte: ACCARDI e DODONOV, 2002.
Além disso, os sistemas domóticos podem ser divididos, de acordo com o nível
de interação e complexidade, em (TEZA, 2002; DIAS e PIZZOLATO, 2004):
Sistemas autônomos – subsistemas independentes (ventilação, refrigeração,
aquecimento) instalados com ajustes predefinidos e sem conexão entre eles e demais
elementos do sistema. Um exemplo de sistema autônomo muito comum é o controle de
iluminação feito através de fotocélulas;
Sistemas integrados – múltiplos sistemas interligados submetidos a um
dispositivo de controle, cuja atuação é limitada e determinada pelo fabricante. Centrais
de comando de home theater são exemplos de sistemas integrados que atuam sobre
cortinas, iluminação de ambientes e comandos de áudio e vídeo;
Sistemas complexos – atuam de acordo com características definidas pelo
usuário e possuem a capacidade de gerenciamento de diversos subsistemas, todos
interligados por meio de uma rede de comunicação e administrados por um sistema de
supervisão.
2.4 Vantagens da Domótica A Domótica, atualmente, é sinônimo de qualidade de vida, mas suas vantagens
vão muito além disso (TEZA, 2002):
Melhor qualidade de vida – facilita o gerenciamento de diversos dispositivos
domésticos (iluminação, ventilação, aquecimento, segurança);
Automação – programação de diversas tarefas diárias;
Eficiência energética – redução do consumo de energia elétrica através de
programas de gerenciamento de energia;
Segurança – sistemas de alarme e controle de acesso para proteção de
espaços e edificações;
Conforto – através da automação de luzes, controle de temperatura e
equipamentos utilizados na residência;
Redução de custos – com o gerenciamento de recursos, há menos deperdício
de recursos (água, luz, etc.);
Aplicações especiais – Adaptação de residências para deficientes físicos,
idosos, entre outros.
2.5 Sistemas utilizados na Domótica Atualmente, há uma diversidade tecnológica de sistemas, produtos e protocolos
direcionados à automação residêncial. Alguns dos mais importantes serão descritos a
seguir.
2.5.1 Sistema X-10
Protocolo da automação residencial mais utilizado no mundo, o sistema X-10 foi
criado na Escócia na década de 70. Mas tornou-se bastante difundida depois que sua
patente expirou em 1997, principalmente nos Estados Unidos, podendo ser considerado
o protocolo mais utilizado do mundo (DIAS e PIZZOLATO, 2004).
Baseia-se na comunicação entre transmissores e receptores. Os transmissores
enviam pulsos digitais de tensões reduzidas e frequências de 120kHz através das
instalações elétricas residenciais ou prediais. Já os receptores recebem os dados de 13
bits - 4 bits para sinalizar o início da comunicação (start-code), 4 bits para o código de
casa (house code) e 5 bits para a função (function code) - e os interpretam.
A maior vantagem encontra-se na implementação. Utiliza as próprias instalações
existentes, sendo necessária apenas a instalação de filtros na entrada da residência
que bloqueiem a entrada e saída dos sinais gerados pelos transmissores.
2.5.2 Sistema IHC (Inteligence House Control)
Sistema proprietário para instalações de pequeno e médio porte que possibilita
automatizar qualquer dispositivo por meio de controle remoto ou à distância. A
configuração ocorre por meio de um software que permite funções personalizadas dos
dispositivos para cada usuário. É um sistema dividido em módulos - controle, entradas e
saídas, alimentadores e modem - além de outros componentes domóticos (reguladores,
relés, sensores, detectores, etc).
2.5.3 Sistema LONworks
Desenvolvida pela Echelon Co., é reconhecida pela norma internacional EIA
709.1 e possui uma diversidade de produtos para atender às necessidades de
automação residencial.
A diferença de outros protocolos, não um controlador central nem arquitetura
mestre-escravo. Ao invés disso, diversos dispositivos inteligentes conectados como nós
se interconectam por meio de um protocolo comum denominado LonTalk. Além disso,
possui um software de integração, com interface homem-máquina, compatível com o
Windows.
2.5.4 European Installation Bus (EIB)
Sistema não proprietário desenvolvido na União Européia cuja comunicação se
baseia em um barramento no qual os diversos dispositivos estão conectados.
Descentralizado por definição, possui dispositivos microprocessados que recebem
dados e executam ações nos ambientes no qual estão inseridos. O sistema opera com
até 64 dispositivos no barramento, 12 linhas de dados e 15 áreas de acoplamento, o
que permite controlar até 11.520 dispositivos.
3 MICROCONTROLADORES
3.1 Introdução Os microcontroladores representam uma das formas de se controlar processos
dentro de uma planta industrial. Devido à sua importância na automação, os
microcontroladores também terão que ser estudados para o presente trabalho.
3.2 Definição Microcomputadores são sistemas que devem conter microprocessadores,
memória de programa e de dados e dispositivos de entrada e saída (IBRAHIM, 2008).
Esses microcomputadores podem ser contruídos em um único chip de silício, podendo
então serem denominados de microcontroladores. Então, um microcontrolador consiste
em um circuito integrado programável que contém todos os componentes de um
microcomputador (SILVA, 2006; JUNIOR, 2006).
3.3 Diagrama geral dos microcontroladores Como equivalem a um sistema computacional completo, os microcontroladores
possuem partes que compõem qualquer computador, apenas dispostas em escala
reduzida (Figura 3.1). Eles estão basicamente divididos em microprocessador,
memória, entradas e saídas (DENARDIN, 2007; SILVA, 2006; TOCCI, 2007; IBRAHIM,
2008).
3.3.1 Microprocessador
Contém a unidade central de processamento (CPU) e a unidade de controle
(UC). A CPU representa o cérebro do microcontrolador, sendo o local onde as
operações aritméticas e lógicas são processadas. Já o UC controla as operações
internas do microprocessador e envia os sinais às outras partes do microcontrolador
para que as instruções sejam executadas.
A CPU representa o centro de todo o sistema e deve executar as instruções do
programa, na sequência esperada. O programa, por outro lado, ordena à CPU a leitura
das informações das entradas, leitura/escrita na memória e escrita dos dados nas
saídas.
Figura 3.1- Diagrama geral dos microcontroladores. Fonte: SOARES, 1998.
3.3.2 Memória
A memória é a parte do microcontrolador que contém as instruções e dados
recebidos tanto da unidade de entrada quanto da CPU e fornece informações para os
dispositivos de saída. Pode ser classificada em:
Memória de programa - armazena as informações que devem ser executadas;
Memória de dados - armazena as informações de dados temporários que o
programa utilizará.
3.3.3 Unidades de entrada e de saída
Os dispositivos de entrada fornecem as informações do mundo externo à CPU.
Já os dispositivos de saída recebem dados da CPU ou da memória e os fornecem ao
mundo exterior.
Nos microcontroladores, tanto as entradas quanto as saídas são denominadas
portas e podem ser tanto analógicas quanto digitais. Há ainda portas que convertem os
sinais analógicos para digitais (conversores A/C) e vice-versa.
3.4 Arquiteturas de microcontroladores Assim como nos computadores e nos microprocessadores, há apenas dois
modelos de arquitetura que caracterizam o funcionamento dos componentes e a
estrutura lógica e matemática dos microcontroladores, isto é, constituem as maneiras
com que a CPU e a memória se relacionam. Ambos modelos constituem a base para a
maioria dos dispositivos existentes (SENA, 2001).
3.4.1 Arquitetura de Von Neumann
A arquitetura de Von Neumann caracteriza-se por ter única memória na qual se
armazena os dados e instruções, sendo o acesso à memória feito por meio de uma
única via (barramento de dados, instruções e controle), como pode ser visto na
figura 3.2. Por meio desse barramento, a CPU lê a instrução ou lê/escreve dados na
memória, sendo cada ação executada separadamente.
Figura 3.2 - Arquiteturas Von Neumann. Fonte: SENA, 2001 (adaptado).
3.4.2 Arquitetura de Harvard
A arquitetura de Harvard baseia-se na separação do barramento de dados e do
barramento das memórias (Figura 3.3). Isso significa que a CPU pode acessar as
memórias e executar duas instruções simultaneamente, resultando em uma maior
velocidade de processamento.
Figura 3.3 - Arquiteturas Harvard. Fonte: SENA, 2001 (adaptado).
3.5 Características dos microcontroladores
3.5.1 Tensão de alimentação
A grande maioria dos microcontroladores disponíveis no mercado opera com
uma tensão de alimentação padrão de +5V. Mas há modelos em que a tensão fornecida
pode ser tão reduzida quando +2,7V ou igual a +6V (IBRAHIM, 2008).
3.5.2 Sistema de clock
O sistema de clock consiste em um circuito oscilador que sincroniza e define a
velocidade de transferência de dados. Nos microcontroladores, usa-se um clock de alta
frequência, geralmente um cristal de 4 a 40MHz, para regular o sequenciamento das
instruções da CPU (DENARDIN, 2007).
3.5.3 Temporizadores
Consistem em contadores que dependem dos pulsos do clock para sincronizar o
funcionamento do microcontrolador e controlar o tempo dos eventos que ocorrem no
periféricos, memória e CPU.
3.5.4 Watchdog
Sua função é reiniciar o microcontrolador se ocorrer uma falha na execução das
instruções contidas na memória ou situações ambientais perigosas, buscando
reestabelecer o controle da aplicação.
3.5.5 Interrupções
Quando um periférico ou dispositivo interno requisita a execução de uma rotina
específica, sem que tenha sido chamada por alguma instrução, o microcontrolador gera
um sinal de interrupção, suspende as tarefas de rotina e atende ao chamado.
3.6 Conjunto de instruções Os microcontroladores possuem um conjunto de instruções que consistem em
ordens que são compreendidas pela CPU e então, executadas. Existem três tipos de
conjunto de instruções (IBRAHIM, 2008):
CISC (Complex Instruction Set Computer) - consiste em um conjunto de 80
instruções, aproximadamente, que são capazes de executar uma grande quantidade de
funções, incluindo tarefas específicas de controle. Geralmente, está associada com a
arquitetura de Von Neumann;
RISC (Reduced Instruction Set Computer) - com um número reduzido de
instruções (em torno de 35 instruções) permite a otimização de hardware e software.
Possibilita respostas mais rápidas, além de chips menores, menor número de pinos e
consumo de energia reduzido;
SISC (Specific Instruction Set Computer) - para usos específicos, com apenas
10 instruções, o conjunto de instruções é especifico para uma necessidade de controle.
Possui capacidades limitadas, mas permite que todos os componentes sejam
construídos em um único componente.
3.7 Microcontroladores comerciais Os microcontroladores estão cada vez mais presentes no dia-a-dia das pessoas.
Por isso, atualmente há uma imensa variedade de fabricantes de microcontroladores
que atendem às necessidades do mercado. São mais de 50 empresas disponíveis, e
dentre elas destacam-se Atmel, Motorola, Intel, Hitachi, National Semiconductor e a
Microchip.
Por outro lado, no Brasil não são todos os microcontroladores que estão
disponíveis. Isso torna a escolha do fornecedor um ponto importante na escolha do
microcontrolador que será utilizado no projeto, ainda mais quando se trata de pequenas
e médias cidades.
3.8 Microcontroladores PIC Fabricados pela Microchip Technology Inc., microcontroladores PIC (Peripherical
Interface Controller) utilizam a arquitetura RISC e possuem um barramento interno de 8
bits. São classificados de acordo com o tamanho da memória de programa em quatro
famílias - PIC12x, PIC16x, PIC17x e PIC18x, onde o x representa o tipo de tecnologia
com a qual a memória de programa foi construída.
Os PICs reúnem em um único chip todos os circuitos necessários para o
desenvolvimento de um sistema digital programável. Conversores A/D de 8 a 12 bits,
portas seriais, rede CAN, controladores PWM, são alguns dos exemplos dos diversos
periféricos internos que possuem, de acordo com o modelo.
3.8.1 PIC18F45K80
O microcontrolador PIC18F45K80 pertence à familia PIC18F66K80, a qual
incorpora a vantagens tradicionais dos microcontroladores PIC18 (conversores A/D,
interrupções variadas e comunicação serial, entre outros) a um preço competitivo,
conferindo-lhe uma alta performace computacional em um dispositivo com uma grande
variedade de funções (Figura 3.4).
Figura 3.4 - Microcontrolador PIC18F45K80. Fonte: MICROCHIP, 2011.
O PIC18F45K80 possui um ótimo custo-benefício. Seu preço gira em torno de
três dolares, quando comprado direto do fabricante. Os novos modelos K, da Microchip,
são os microcontroladores com maior performace da familia PIC18F, operando com
frequência maior do que 64MHz (contra os 40MHz dos PIC18F tradicionais).
Características técnicas do PIC18F45K80 (MICROCHIP, 2011):
Tensão de operação de 1,8 a 5,5V;
35 portas I/O;
Variedade grande de periféricos - 11 canais AD de 12 bits, 2 portas seriais
USART, módulo CAN integrado, entre outros;
Tecnologia nanoWatt, que reduz o consumo durtante a operação;
Frequência de operação de 64MHz;
5 timers, 2 comparadores;
75 instruções, que pode ser extendida a 83.
Ainda, possui uma disponibilidade grande de compiladores. Os primeiros PICs
não toleravam a maioria dos compiladores de linguagens modernas, como o C,
obrigando ao programador utilizar linguagens de baixo nível, como, por exemplo, o
Assembly. Logo, como integrante da familia de 16 bits avançada, o PIC18F45K80 foca
no uso de compiladores, quer dizer, foi desenvolvido de modo a possuir mais memória
de programa (64Kbytes) e mais memória RAM (3Kbytes) que outros microcontroladores
disponíveis no mercado, possibilitando o uso de um maior número de instruções.
Dessa forma, por todas essas vantagens descritas acima, este microcontrolador
foi selecionado para integrar o projeto. Além disso, como inicialmente a proposta era
fazer um barramento utilizando o protocolo CAN, este microcontrolador seria a melhor
escolha, posto que possui esta função - portas 25 e 26 (CANTX e CANRX,
respectivamente), e ainda, tem duas saídas para a porta serial UART, essencial para o
microcontrolador que gerenciará a aplicação dos sensores e atuadores.
4 SISTEMAS SUPERVISÓRIOS
4.1 Introdução Os Sistemas de Supervisão e Adquisição de Dados (SCADA) são sistemas de
que permitem monitorar, manipular, analisar e armazenar informações coletadas de
processos que são executados dentro de uma planta industrial (VIANNA, 2008).
Baseados no uso de um software, os sistemas supervisórios integram os
componentes de um sistema de automação - os sensores, os atuadores e os
controladores - e exibem os dados ao usuário. Neste sentido, é interessante incluir um
sistema supervisório ao sistema domótico para criar a interface ao usuário.
4.2 Funções de um sistema supervisório Um sistema supervisório, este deve cumprir as seguintes funções básicas
(VIANNA, 2008):
Supervisão - compreende as funções de monitoramento dos processos da
planta industrial. Os dados e as variáveis podem ser visualizados pelo operador por
meio de telas, gráficos e animações;
Operação - o usuário pode enviar comandos que serão executados pelos
atuadores;
Controle - define ações de controle e envia os comandos às estações remotas
de modo a gerenciar a sequência de ações que devem ser executadas pelos atuadores.
4.3 Arquitetura de um Sistema Supervisório Em geral, sistemas supervisórios são constituídos por uma estação central e
diversas estações remotas, nos quais serão conectados os sensores e atuadores
(SILVA e SALVADOR, 2004), como pode ser visto na figura 4.1:
Sensores e atuadores - executam o trabalho propriamente dito, recebendo os
dados do ambiente e acionado os equipamentos, respectivamente;
Estações remotas - onde ocorre o controle e a adquisição de dados, por meio
de controladores lógico programáveis e unidades terminais remotas, no quais os
sensores e atuadores estão conectados;
Rede de comunicação - plataforma de transmissão de dados, por meio da qual
as informações são enviadas e recebidas;
Estações de monitoração central - recolhem as informações a partir das
estações remotas e executam de acordo com os eventos, por meio de um software
supervisório.
4.4 Elementos de um sistema SCADA
4.4.1 Variáveis
Variáveis, ou tagname, são espaços na memória do sistema de supervisão que
armazenam os valores dos pontos de entrada/saída e endereços do equipamento de
controle (VIANNA, 2008). Essas variáveis resultam do banco de dados implementado
pelo sistema supervisório e são conectadas ao sistema a partir de um driver de
comunicação. Podem ser classificadas em três - variáveis analógicas, digitais ou
compostas (agregados de variáveis numéricas, booleanas e/ou caracteres).
4.4.2 Scripts
Os scripts são programas associados a eventos que permitem ao usuário definir
outras aplicações além daquelas contempladas pelos software supervisório (VIANNA,
2008).
Figura 4.1 - Componentes de um sistema supervisório. Fonte: SILVA e SALVADOR, 2004.
4.4.3 Alarmes
O sistema supervisório possui configurações de grupos de alarmes (VIANNA,
2008). Esses alarmes podem ser organizados e gerenciados de acordo com uma
hierarquia pré-determinada, de modo a ter uma ordem de prioridade de ocorrências.
Assim, eventos de maior importância são apresentados ao operador para que sejam
tomadas as ações necessárias.
4.4.4 Log de eventos
O log de eventos registra todos as ocorrências que possuem importância para a
supervisão, com sua data, hora e descrição. Isso cria um histórico com eventos e
operações críticas, que podem ser consultadas futuramente (VIANNA, 2008).
4.4.5 Telas
Uma das características mais importantes de um sistema supervisório são as
interfaces gráficas, que permitem acessar e controlar os equipamentos de uma planta
remotamente. São construidas de modo a possuir o maior grau de flexibilidade e
produtividade possível, conferindo melhores condições de controle e supervisão dos
processos produtivos, inclusive quando se trata de automação residencial. Dentre os
recursos disponíveis, tem-se (VIANNA, 2008):
interfaces gráficas - para facilitar a operação e aumentar a praticidade e
rapidez, há uma tela em cores e alta definição, que expressam o fluxo de produção e
demais variáveis que devem ser monitoradas nos processos;
armazenamento de dados - têm a capacidade de guardar tanto os valores
inseridos nas variáveis quanto os recebidos por meio dos sensores que monitoram os
processos;
alarme e eventos - permite observar condições anômalas sem a necessidade
de ficar procurando as falhas pois elas são destacadas quando ocorrem.
4.5 Sistemas supervisórios existentes Do mesmo modo como acontece com os microcontroladores, atualmente há uma
variedade de sistemas supervisórios disponíveis no mercado, principalmente quando
trata-se de automação industrial. Alguns deles são listados a seguir.
4.5.1 Cimplicity HMI
Sistema SCADA proprietário da General Eletric que utiliza o padrão cliente/
servidor. O preço varia de acordo com o número de entradas e saídas de cada servidor
(I/O Count), sendo que cada servidor não suporta mais de 5000 I/O Count (LOPES,
2009). O software disponibiliza 5 interfaces, que facilitam o manuseio ao usuário. Ainda,
conta com ferramentas próprias para o armazenamento de dados, para o agendamento
de tarefas e um gerenciador de alarmes, além de diversos outros recursos que
possibilitam alterações dos parâmetros do sistema.
4.5.2 Lintouch
Projeto de supervisório livre e de código aberto, que é desenvolvido com o
auxílio de diversos colaboradores (LOPES, 2009). Dotado de três interfaces principais,
Lintouch utiliza um servidor centralizado para fazer toda a adquisição de dados e
distribuir as informações para os nós do sistema. Também, possui ferramentas de
aplicação tais como interface de criação e desenvolvimento de projetos, conversão dos
dados em gráficos, entre outros.
4.5.3 Elipse E3
Produzido no Brasil, o Elipse E3 procura garantir a conectividade, a flexibilidade
e a confiabilidade como sistema supervisório. Sua grande vantagem reside em permitir
a comunicação com inúmeros protocolos e equipamentos, independente do fabricante e
da tecnologia aplicada (LOPES, 2009).
Este supervisório possui três interfaces principais - o E3 Studio, E3 Server e o E3
Viewer. O E3 Studio possibilita a criação e o desenvolvimento de todo o sistema por
meio de um ambiente gráfico e assistentes de criação. O E3 Server, por outro lado, é a
interface que proporciona o funcionamento das aplicações, de modo que todas as
informações possam ser visualizadas em tempo real. E, por último, o E3 Viewer mostra
todo o processo que está ocorrendo, podendo ou não alterar parâmetros do processo.
Além das interfaces, o Elipse E3 possui inúmeras ferramentas. Simulações de
eventos passados, previsões estatísticas e acesso a outros servidores são alguns
exemplos de funções disponíveis. Isso torna o Elipse E3 um ótimo sistema supervisório
para sistemas distribuídos que exigem muita flexibilidade de equipamentos.
5 REDES INDUSTRIAIS
5.1 Introdução Os sistemas de automação, inclusive no que se refere à automação residencial,
compreendem uma variedade de tecnologias de controladores e sistemas
supervisórios. Para conectar todos os equipamentos do projeto, tem-se as redes
industriais que proporcionarão o meio físico e o protocolo de comunicação, necessários
para que haja a transmissão de dados e, consequentemente, o correto funcionamento
do sistema.
5.2 Níveis hierárquicos de uma rede industrial A maioria das redes estão organizadas em camadas, ou níveis hierárquicos,
como modo de reduzir a complexidade de projeto.
Cada camada oferece determinados serviços para as camadas mais altas
Conforme as indústrias foram se modernizando e aumentando seu tamanho,
houve a necessidade de integração em todos os níveis de automação. Os diversos
equipamentos e dispositivos que compõem uma rede podem ser agrupados de modo a
estabelecer uma hierarquia de funcionamento. Podem ser divididos em quatro níveis,
como pode ser visto na figura 5.1 (CASSIOLATO, 2011):
Nível de gestão/gerência - aqui encontra-se um computador central que
gerencia e monitora os processos de produção da planta, por meio de um software, no
qual circula uma quantidade imensa de informações de todo o sistema;
Nível de controle - equipamentos que executam o controle automático dos
processos da planta industrial. É constituído principalmente por controladores lógicos
programáveis (CLPs) que gerenciam as funções que devem ser executadas;
Nível de campo - compõe todos os equipamentos que fazem o controle
automático distribuído. Faz a integração do nível de controle com os sensores e
atuadores, enviando informações para os níveis mais altos;
Nível de entradas e saídas - nível mais baixo do processo, contém os
sensores e atuadores que, de fato, executam o processo produtivo, de forma
automática.
Figura 5.1 - níveis de uma automação industrial
Fonte: SANTOS, 2010.
5.3 Componentes das redes industriais
5.3.1 Meios físicos de transmissão
Constitui o caminho físico pelo qual os sinais se propagam. Esse meio físico
permite o envio de dados, ou seja, será por onde a informação transitará para chegar
ao seu destino. Há vários tipos de meios físicos para conexão de redes, mas as mais
comuns são (FILHO, 2005; LAGE, 2009; TANEMBAUM, 2003):
Par trançado - Muito utilizado em instalações baseadas no cabeamento
estruturado, consiste em pares de fios de cobre entrelaçados com o objetivo de
cancelar possíveis interferências eletromagnéticas. Podem ser dos tipos UTP (Par
trançado não blindado) e STP (Par trançado não blindado)
Cabo coaxial - operam com taxas de transmissão mais altas, sem a
necessidade de isolação, ao contrário do par trançado. Podem ser usados com um
sistema de banda larga, com vários canais multiplexados em frequência.
Fibra ótica - mostra-se como uma das maiores apostas para substituir o cabo
coaxial e o par trançado no ambiente industrial, porque tem uma maior largura de
banda, imunidade a ruídos e são flexiveis.
5.3.2 Barramento
Compreende a fiação que percorre todo o sistema. Pode ser dividido em tronco
(barramento principal) e spurs (segmentos secundários), estes aos quais estão
conectados os nós (LAGE, 2009). Entretanto, sua configuração vai depender da
topologia que será utilizada.
5.3.3 Nó
São os elementos conectados aos barramentos, nos quais os sensores e
atuadores estão conectados, cujo número depende dos meios de transmissão e do
protocolo de comunicação utilizado.
5.4 Topologias de rede As redes normalmente estão organizadas de modo que os nós do sistema
estejam interligados de forma padronizada, como mostrado na figura 5.2 (PAULINO,
2010). Essas topologias serão definidas a seguir.
Figura 5.2 - Topologias padrão
Fonte: PAULINO, 2010 (adaptado).
5.4.1 Barramento
Há um barramento físico no qual todos os elementos estão ligados. Apenas um
dos dispositivos da rede pode se comunicar por vez, enquanto os outros aguardam o
momento para enviar seus dados.
Este tipo de rede é simples e confiável, sem contar a facilidade quando for
necessário expandir. Por outro lado, quando ocorre um problema no barramento, todo o
sistema fica comprometido e o tráfego de informações pode ser interrompido. Apesar
disso, permite um maior comprimento da rede e assegura o funcionamento dos outros
dispositivos, caso um falhe.
5.4.2 Ponto-a-ponto
Ligação contínua em que a saída de um constitui a entrada do outro
equipamento, isto é, consiste na ligação direta entre equipamentos. Neste caso, as
conexões devem ter redundância para garantir a confiabilidade da rede e evitar
interrupções caso um equipamento falhe.
5.4.3 Estrela
Todos os equipamentos ou nós estão conectados a um dispositivo concentrador,
centralizando a conexão.
5.4.4 Árvore
Surge da junção entre as topologias estrela e barramento, semelhante a uma
árvore com diversas ramificações, composto por diversos nós, dos quais derivam outros
nós, e assim por diante.
5.4.5 Anel
A topologia em anel consiste em estações conectadas dentro de um circuito
fechado no qual os dispositivos estão interconectados uns aos outros, formando um
círculo.
5.5 Classificação das redes industriais Dependendo do tipo de equipamento conectada à rede e do tipo de dados
transmitidos através dela, as redes industriais podem ser classificadas em sensorbus,
devicebus e fieldbus (GUEDES, 2005).
5.5.1 SensorBus
A rede sensorbus é utilizada para conectar alguns equipamentos mais simples e
pequenos, tais como sensores e atuadores. Os dados transitam em formato de bits, já
que há um baixo processamento de dados, mas o envio de informações em níveis
discretos é rápida. Neste nível, tem-se como exemplos os protocolos ASI e CAN
(GUEDES, 2005).
5.5.2 DeviceBus
Redes para uso geral, oferece comunicação para dispositivos que conseguem
realizar múltiplas funções e comunicar informações sobre diagnósticos e funções que
serão executadas. Seus dados transitam em formato de bytes e podem cobrir até 500
metros de distância. Como exemplos, tem-se DeviceNet e profibus DP (GUEDES,
2005).
5.5.3 FieldBus
As redes FieldBus possuem equipamentos com maior poder de processamento e
que executam funções mais específicas (sensor, atuador, controlador) conectados à
rede. Há uma maior quantidade e variedade de dados, a uma velocidade reduzida, mas
que abrange distâncias maiores. Nesta categoria enquadra-se os protocolos Profibus
PA, IEC/ISA SP50 e Foundation Fieldbus (GUEDES, 2005).
5.6 Modo de acesso ao barramento Os dispositivos que constituem uma rede industrial podem enviar e receber as
informações de acordo com a hierarquia do fluxo de dados (LAGES, 2010).
5.6.1 Mestre-Escravo
Forma mais simples, um dos dispositivos envia os pedidos de leitura ou
comandos a seus escravos, e estes executam as ações. O sistema pode ter diversos
escravos, sendo gerenciados por um ou mais mestres, de modo que não se
comuniquem entre eles, mas que cumpram funções específicas no sistema.
5.6.2 Publisher-Subscriber
Semelhante ao mestre-escravo, o publisher envia um valor e todos os
interessados, subscribers, recebem esse valor e executam a tarefa, ao mesmo tempo.
5.6.3 Source-Sink
Neste caso, um dispositivo-fonte transmite uma mensagem a outro dispositivo,
sem haver a solicitação de dado. Não havendo comunicação entre eles enquanto o não
ocorra uma alteração de um estado interno ao dispositivo sink.
5.6.4 Token Ring
Este modo de acesso consiste em uma troca de autorizações entre componentes
da rede que define a prioridade de acesso ao meio de transmissão. Apenas quem
possui a permissão, envia informações através do barramento.
Esta seria uma alternativa para a comunicação entre diversos mestres.
Entretanto, aumenta a complexidade do protocolo e pode comprometer a velocidade da
transmissão de dados.
5.7 Padrões de interface serial Como modo de estabelecer padrões específicos para montagem dos condutores
e níveis elétricos, a comunicação serial também foi normatizada. Assim surgiram os
padrões RS-232 e RS-485, que serão definido a seguir (TEXAS INSTRUMENTS, 2002).
5.7.1 RS-232
Voltado à transmissão serial de dados, foi definido pela norma EIA-232 em 1960.
Constitui um padrão síncrono de envio de dados, com taxas de transferência de até
19200 bits por segundo. O meio físico mais comum é o par trançado, com conectores
DB9 ou DB25 estão localizados nos extremos da linha.
5.7.2 RS-485
A norma EIA-485 estabelece uma interface de comunicação que opera em linhas
diferenciais. Este padrão possibilita comunicar até 32 dispositivos, utilizando apenas um
conversor de tensões. O meio físico mais utilizado para o RS-485 é o par trançado, que
possibilita duas configurações de rede - half-duplex, onde apenas pode haver
transmissão ou recepção de dados, e o full-duplex no qual há o envio e recebimento de
dados simultaneamente.
5.8 Arquiteturas de rede e o modelo OSI As redes são organizadas em diversas camadas/níveis. Cada camada tem
determinadas funções e tem capacidade de oferecer serviços à camada localizada
acima dela. Por outro lado, as redes se comunicam entre si através dessas camadas,
isto é, uma dada camada só se comunica com a camada da outra rede que esteja no
mesmo nível que ela.
Dentro desse conceito, a ISO criou, em 1983, o modelo OSI (Interconexão de
Sistemas Abertos), que serve como modelo de referência para comunicação em
camadas. O modelo OSI é um conjunto de protocolos abertos que tem como objetivo
ser um padrão para diversos protocolos de comunicação. Ele é constituido por 7
camadas muito bem definidas, cada uma com funções específicas (TANEMBAUM,
2003; LAGES, 2010):
Física - interface física e elétrica que permite o acesso ao meio de
comunicação, codificando e transferindo os bits fisicamente entre os nós;
Enlace de dados (data link) - controle de erro, fluxo e sincronismo;
Rede - controle de conexão, roteamento entre os pacotes para a transferência
de dados e endereçamento;
Transporte - controle de fluxo, recuperação de erro e transferência de dados;
Sessão - controle, sincronismo e manipulação de dados, mapeamento para
transporte dos pacotes;
Apresentação - Encriptação, compressão, escolha de sintaxe, estruturação de
dados dentro da rede de forma padronizada;
Aplicação - refere-se às aplicações do usuário
5.9 Protocolos de comunicação para redes industriais Além do meio físico, os dados necessitam de um "meio de transporte" para que
as informações sejam transmitidos de um dispositivo a outro. Para isso, foram
estabelecidos conjuntos de padrões de comunicação para propiciar essas conexões
entre dispositivos ou sistemas, denominados protocolos de comunicação.
Atualmente, existem diversos protocolos de comunicação para as mais variadas
finalidades. Isso permite escolher aquele que seja mais adequado ao funcionamento do
sistema e que permita a maior eficiência do processo industrial.
5.9.1 Modbus
Protocolo aberto, utiliza as camadas 1, 2 e 7 do modelo OSI . Possui dois
padrões, RTU e ASCII, que diferem pela quantidade de caracteres codificados (8 e 7
bits, respectivamente). Acessa a rede por meio mestre-escravo e aceita RS232 e
RS485 (MODBUS, 2012).
5.9.2 Modbus Plus
Baseada nas camadas 1, 2 e 7 do modelo OSI, permite a troca de dados entre
diversos equipamentos de um barramento, em que cada estação está identificada por
um endereço (SCHNEIDER ELECTRIC, 2007). O modo de acesso ao barramento se
dá pelo método token ring e pode ser desenhado nas topologias ponto-a-ponto ou por
um barramento com nós, suportando até 64 equipamentos. Sua velocidade de
transmissão chega a 1Mbps, para uma distância máxima de 450 metros.
Geralmente utilizada em linhas de montagem e na automação de produção e
edifícios ou produção e distribuição de energia.
5.9.3 DeviceNet
Baseada na camada física do modelo OSI e a técnica de transporte CAN, o
DeviceNet têm sua aplicação a nível operacional (SCHNEIDER ELECTRIC, 2007).
Permite que diversos aparelhos (disjuntores, relés de proteção de motores, sensores)
se integrem para a troca de informações, mesmo que sejam de fabricantes diferentes.
Também suporta até 64 equipamentos, com taxa máxima de 1Mbps para 40 metros.
5.9.4 Profibus
Protocolo aberto e multi-mestre, permite a integração de diversos sistemas de
automação. Os mestres determinam a comunicação de dados, com o poder de enviar
mensagens independente de requisição externa; os escravos só enviam informações
quando solicitados. Utiliza as camadas 1, 2 e 7 do modelo OSI, também, permitindo a
transmissão por RS485 e fibra ótica.
6 SENSORES E ATUADORES
6.1 Introdução Os sensores e atuadores possibilitam a existência de sistemas automatizados.
Através dos sensores determinam-se as condições do ambiente no qual um sistema
está inserido, substituindo a avaliação de um operador para a tomada de decisões. Por
outro lado, o uso de atuadores permitem que ações sejam executadas, como por
exemplo, o acionamento de um motor ou uma lâmpada. Os sensores e atuadores serão
estudados a seguir, com ênfase nos sensores fotoelétricos e eletrônicos que serão
utilizados no projeto proposto.
6.2 Definições
6.2.1 Sensores
Dispositivos que respondem a estímulos e transmitem informações sobre uma
grandeza que está sendo medida. Podem medir temperatura, pressão, umidade,
intensidade luminosa, entre outros (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2011).
Largamente utilizados na indústria e em aplicações domésticas, mas
principalmente em sistemas de controle. Eles permitem que equipamentos interajam
com o mundo, tornando possível a automação.
6.2.2 Atuadores
Dispositivos que executam o trabalho inverso do sensor, isto é, transformam o
sinal elétrico em uma grandeza física, produzindo movimento ou modificando o
ambiente por meio de ações. Nesta categoria incluem-se válvulas, contatores, cancelas,
ou qualquer elemento que execute o comando recebido de outro dispositivo.
6.2.3 Transdutor
Transdutores são dispositivos que transformam um sinal de entrada em uma
grandeza elétrica (corrente, tensão ou resistência) que pode ser utilizado pelo sistema
de controle (WENDLING, 2010).
São caracterizados em relação à função que exercem como:
transdutores sensores - recebem o sinal do processo e transformam em
corrente, tensão ou resistência para posterior processamento;
transdutores atuadores - funcionam como atuadores, alterando variáveis do
processo;
transdutores conversores - convertem ou transferem algum tipo de energia
entre sistemas.
6.3 Características importantes Há algumas características que devem ser levadas em consideração quando há
a necessidade de se especificar um sensor para uma determinada função (THOMAZINI
e ALBUQUERQUE, 2011):
Saída: a saída do dispositivo pode ser de dois tipos - digital ou analógica. A
saída digital só assume os valores lógicos zero e um, enquanto que a saída analógica
pode assumir quaisquer valores, sendo uma saída contínua;
Sensibilidade: medida da variação da grandeza em relação à variação da
grandeza que está sendo medida;
Exatidão: erro de medida que um dispositivo tem em relação a um medidor
padrão, isto é, a capacidade de fornecer respostas próximas ao valor verdadeiro;
Precisão: capacidade do instrumento de repetir o valor medido;
Linearidade: aplicado a sensores analógicos, refere-se à curva de saída do
sensor em relação à grandeza medida;
Range ou alcance: faixa de valores permitidos para a leitura do sensor;
Velocidade de resposta: velocidade à qual o sensor fornece valor da variável
que está sendo estudada.
Ainda, há outras características que devem ser levadas em consideração na
escolha e especificação dos sensores, tais como manutenção, custo, calibração,
tamanho, vida útil, entre outros.
6.4 Classificação dos sensores Atualmente, existem milhares de sensores utilizados tanto nas indústrias quando
em aplicações da Domótica. Tais sensores informam os circuitos eletrônicos sobre as
condições externas de determinadas grandezas físicas sobre as quais deve atuar, ou
nos quais deve comandar uma ação. Os mais importantes e usados na indústria, são
descritos abaixo (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2011; WENDLING, 2010).
6.4.1 Mecânicos
São aqueles que medem movimentos, posições ou presença por meio de
recursos mecânicos, como chaves e interruptores. São utilizados para detectar o estado
de uma porta (aberto ou fechado), a presença de objetos ou a posição de uma parte
mecânica de máquinas e motores.
Nesta categoria incluem-se as chaves de fim de curso e os microswitches, que
consistem em chaves comutadoras que funcionam como liga/desliga quando são
acionadas de forma mecânica.
6.4.2 Magnéticos
Quando o sensor é submetido a um campo magnético, dois contatos metálicos
se tocam, tornando possível a passagem de uma corrente elétrica.
6.4.3 Capacitivos
Sensores capacitivos baseiam-se nas mudanças ocorridas em um campo
eletrostático devido à aproximação de um alvo. Isto muda a capacitância do circuito e,
atingindo determinado valor, um oscilador é ativado e este, ativa um circuito.
6.4.4 Indutivos
Constituídos de uma bobina rodeando um núcleo, são sensores que detectam a
passagem de elementos metálicos que atravessam um campo magnético e convertem
o sinal em um sinal elétrico.
6.4.5 Sensores térmicos
Atuam no circuito em função de uma variação de temperatura no ambiente em
que estão inseridos de modo a acionar ou desligar um circuito.
6.4.6 Sensores fotoelétricos
Sensores fotoelétricos são aqueles que dependem da luz para funcionar. Podem
ser de diversos tipos e são melhores que os sensores mecânicos, já que não
apresentam inércia ou o desgaste ocasionado pelo seu uso.
Fotocélula
Fotocélulas são dispositivos capazes de gerar uma pequena tensão quando
iluminados e são usados na geração de energia elétrica. Muito sensíveis e rápidos, seu
circuitos são compostos por transistores e amplificadores operacionais, conferindo-lhe
uma alta faixa de aplicação.
Fotodiodo
Sensores sensíveis e extremamente rápidos, os fotodiodos são baseados na
incidência de fótons em uma junção semicondutora, que geram uma tensão ou resistem
à passagem de corrente.
São dispositivos que exigem um bom circuito de amplificação. Podem ser
utilizados no modo gerador, em que gera uma tensão quando iluminado, ou no modo
resistivo.
Fototransistor
Os fototransistores operam de maneira semelhante aos fotodiodos, mas tem a
capacidade de amplificar as correntes que são geradas durante o processo. Por outro
lado, apesar de poder ser utilizado nas mesmas aplicações, são um pouco mais lentos,
e isso deve ser considerado caso a resposta desejada do sensor seja uma
característica essencial para o projeto.
Foto-resistor
Mais conhecidos como LDR (Light Dependent Resistor), os foto-resistores são
sensores cujas resistências variam em função da intensidade da luz que sobre eles
incide (Figura 6.1).
Figura 6.1 - Curva característica do foto-resistor.
Fonte: WENDLING, 2010.
São constituídos por uma fina camda de sulfeto de cádmio (ou seleneto de
cádmio), material fotossensível, entre dois terminais, que fica exposta à incidência de
luz (Figura 6.2). A energia luminosa desloca os elétrons da camada de valência para
uma corrente elétrica, resultando em uma diminuição da resistência. A variação dessa
resistência pode ser modelada matematicamente da seguinte forma:
R = A. L
onde L corresponde à intensidade da luz e A e α são constantes do material utilizado
(0,5 e 0,7 são valores típicos de α para o sulfeto de cádmio).
Figura 6.2 - Símbolo elétrico e um LDR comercial. Fonte: WENDLING, 2010.
Uma importante característica dos LDRs é a sua curva de resposta muito
próxima da resposta do olho humano. Isso permite a operação com fontes de luz
convencionais, inclusive com LEDs comuns.
Para a especificação de projeto, deve-se levar em consideração as seguintes
particularidades:
são sensores lentos, com velocidades não superiores a dezenas de quilohertz;
a temperatura influencia na variação da resistência;
o diâmetro influencia na sensibilidade e na dissipação de calor do LDR;
opera tanto em corrente contínua quanto em corrente alternada, e suportam
correntes relativamente elevadas.
Dentre as aplicações dos foto-resistores há os relés fotoeletricos, fotômetros e
alarmes. Ainda, são muito empregados em robôs e em aplicações industriais, nos mais
diferentes encapsulamentos.
Sensores eletrônicos
Baseados no aumento da quantidade de portadores de carga em uma junção de
um material semicondutor, os sensores eletrônicos são utilizados para a montagem em
placas de circuito impressos devido ao seu tamanho reduzido.
Dividem-se em diodos, transistores e circuitos integrados. Os diodos, feitos de
silício, e polarizados diretamente, têm uma queda de tensão de 2mV para cada grau
celcius de aumento de temperatura. Sua curva característica é uma reta, com limite de
125°C e é muito utilizado em controles e termômetros de baixo custo. Ja os transistores
beneficiam-se de seus próprios parâmetros se modificarem com a temperatura.
E por útlimo e mais importantes para o sistema proposto, os circuitos integrados.
Dedicados aos monitoramento da temperatura, estes circuitos integrados baseiam-se
também no comportamento dos semicondutores perante a temperatura. Sua grande
vantagem mostra-se na sua fácil implementação, posto que todos os componentes
necessários está inserido dentro de um único chip (filtros, reguladores e proteções).
Ainda, são classificados de acordo com o sinal de saída em analógicos e digitais.
Os do tipo analógico têm tensão de saída correspondente à temperatura, e esse sinal
pode ser usado por um amplificador operacional ou convertido por um circuito digital.
Por outro lado, os digitais já executam essa conversão para um sinal digital, mais imune
à interferências, não necessitando mais nenhum tratamento para a utilização em
microcontroladores, por exemplo.
Esses circuitos integrados possuem características próprias:
faixa de temperatura de -55 a 150°C;
sensibilidade típica de 2mV/°C e precisão de 1°C;
sensores lineares;
componentes robustos;
tempo de resposta relativamente lento, de 4 a 60 segundos;
6.5 Classificação dos atuadores Do mesmo modo que os sensores, há diversos atuadores utilizados nas mais
variadas aplicações. Os atuadores substituem o acionamento manual em sistemas
automáticos, excluindo a necessidade de um operador para gerenciar um sistema
(THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2011; WENDLING, 2010).
6.5.1 Atuadores pneumáticos
Equipamentos mecânicos que transformam a energia cinética gerada pelo ar
pressurizado em expansão em energia mecânica, produzindo trabalho. Executam
movimentos lineares, rotativos ou angulares
6.5.2 Atuadores hidráulicos
São atuadores que geram movimento a partir de um fluído a alta pressão. Podem
gerar deslocamento linear ou angular. Normalmente o líquido utilizado é um óleo sob
pressão.
6.5.3 Atuadores elétricos
Equipamentos eletromecânicos que permitem o acionamento de equipamentos
transformando energia elétrica em mecânica, São classificados em motores de corrente
alternada, de corrente contínua e motores de passo. É um dos mais utilizados na
indústria.
7 METODOLOGIA
7.1 Introdução
O projeto proposto consiste na automação de determinados processos em uma
residência utilizando os conceitos descritos nos capítulos anteriores.
Do ponto de vista dos sistemas domóticos, tem-se a necessidade de que
determinados equipamentos sejam automáticos, como, por exemplo, as luzes externas
devem ligar quando escurece, o motor da piscina deve ser ligado a cada período de
tempo. Para tornar isso possível, dois microcontroladores foram inseridos para controlar
os processos desejados e um microcontrolador para gerenciar o recebimento das
informações e enviá-las ao sistema supervisório. O sistema supervisório permite ao
usuário, além de uma interface gráfica para exibição, a possibilidade de acionar ou
desligar atuadores. Para interligar todo o sistema, inseriu-se padrões de redes
industriais que fornecerão o meio de transmissão e os protocolos de comunicação
necessários para o envio e recebimento de dados.
7.2 Sistema proposto
Desse modo, o sistema pode ser dividido em três partes principais - um software
supervisório, um microcontrolador mestre e dois microcontroladores escravos. O
supervisório e o mestre são interligados por meio do padrão serial RS-232, enquanto
que o barramento ao qual estarão ligados os escravos está no padrão serial industrial
RS-485 (Figura 7.1).
Do ponto de vista de um usuário, o sistema supervisório representa a interface
na qual o sistema pode ser operado. Os microcontroladores escravos, sensores e
atuadores seriam instalados nos comodos da residência para a medição da
temperatura e luminosidade dos ambientes, enquanto que o microcontrolador mestre
colocado próximo ao computador no qual seria intalado o sistema supervisório.
Figura 7.1- Diagrama do projeto desenvolvido.
7.2.1 Sistema supervisório
O sistema supervisório utilizado no projeto foi o Elipse E3, do tipo SCADA, que
foi descrito no Capítulo 4 do presente trabalho. Por se tratar de um sistema de
supervisão e controle também aplicável a pequenos processos industriais, mostrou-se
apropriado utilizá-lo para este projeto de automação residêncial.
No sistema desenvolvido, o Elipse E3 é responsável pela interface homem-
máquina do sistema. Por meio de displays, mostra-se o valor dos sensores que
monitoram as variáveis em cada um de dois nós - um nó mede a temperatura ambiente
e o outro, mede a luminosidade externa à residência. Os atuadores são também
verificados periodicamente e seus estados são mostrados na tela; ainda, os atuadores,
podem ser controlador individualmente pelo usuário, que representa o operador do
sistema.
Do ponto de vista de protocolo de comunicação, para este projeto utilizou-se
apenas um driver para a porta serial. Esse driver que pode ser obtido no site do próprio
fabricante do software (www.elipse.com.br > Downloads > Drivers > Pesquisa por
protocolo > Genérico). Suas configurações foram feitas com o auxílio do arquivo anexo
à pasta do driver . Os parâmetros P1, P2, P3 e P4 referem-se respectivamente, à porta
de comunicação usada, à taxa de transmissão (Tabela 7.1), aos parâmetros de
transmissão (Tabela 7.2) e ao intervalo de tempo que o supervisório requisita
informações ao microcontrolador pela porta serial.
Tabela 7.1- Taxa de transmissão (bps)
P2 Descrição 1 1200 2 2400 3 4800 4 9600 (padrão) 5 19200 6 28800 7 38400 8 57600 9 115200
Fonte: Elipse Software.
Tabela 7.2- Valores de eco, tamanho
do caracter, paridade e bit de parada
Valor Descrição 0000 Sem eco 1000 Com eco 0700 7 bit char 0800 8 bit char 0000 No parity 0010 Odd parity 0020 Even parity 0001 1 stop bit 0002 2 stop bit
Fonte: Elipse Software.
Baseado nisso, o driver foi configurado com os valores P1=2 (COM2), P2=4
(9600bps), P3=0801 (sem eco, 8 bits, sem bit de paridade, 1 stop bit) e P4=1000 (1000
ms, isto é, 1 segundo), como mostra a figura 7.2.
Figura 7.2 - Configuraçõesão do driver RS-232
Fonte: Elipse E3.
As tags, que representam as variáveis que enviarão ou receberão comandos,
foram configuradas de maneira semelhante ao driver da porta serial. Os parâmetros N1,
N2, N3 e N4 especificam o comando na lista de comandos, formato de envio de
comandos, formato de retorno dos dados e a quantidade de dados que serão lidos,
respectivamente (Tabela 7.3).
Tabela 7.3- Valores de eco, tamanho do caracter, paridade e bit de parada
Campo Quantidade de dados a serem lidos
0 Será lido até a quantidade definida pelo primeiro parâmetro do respectivo
[ReceiveResponse], declarado no parâmetro Extras.
nn Será lido até encontrar o caracter finalizador igual a nn (informar o valor deste
parâmetro em código ASCII)
9999 Será lido tudo, até o limite máximo de timeout (definido em P4) ser atingido, para
recepção de dados.
Fonte: Elipse Software.
Para o presente sistema utilizou-se os valores N2=1 (texto), N3=0 (binário) e
N4=0 (lê o tamanho predefinido na lista de comandos), como pode ser visto na figura
7.3. Por outro lado, como o parâmetro N1 é específico para cada tag, seu valor varia já
que representa o comando enviado a partir de uma lista de comandos.
Figura 7.3 - Configurações das tags
Fonte: Elipse E3.
Como o Elipse E3 regula o tráfego de dados pelo barramento serial RS-232, o
supervisório tem que pedir a informação para o microcontrolador mestre por meio do
envio de um comando para uma determinada ação, que está dentro de uma lista de
comandos pré-definida (Figura 7.4). Essa lista de comandos está relacionada às tags
pelo parâmetro N1, vista na figura acima, isto é, quando N1=3 (Atuador 1), ele envia o
terceiro comando da lista, que corresponde à letra "C", ao microcontrolador.
Figura 7.4 - Lista de comandos das tags
Fonte: Elipse E3.
Também, os botões foram configurados. Para enviar determinado comando pela
serial, para acionar cada um dos atuadores separadamente, escreveu-se scripts, isto é,
blocos que mudam o parâmetro N1 da tag. Na figura 7.5 mostra o script do botão 1,
como exemplo. Cada vez que esse botão for clicado, ele mudará o parâmetro N1 da tag
"Atuador1" para o primeiro comando da lista de comandos. Os demais scripts dos
botões são semelhantes a este.
Figura 7.5 - Scripts do botão 1
Fonte: Elipse E3.
Como forma de construir uma interface para o usuário, criou-se tela intuitiva, de
fácil manuseio. Os displays recebem os valores lidos pelos sensores periodicamente.
Os botões tem o poder de ligar ou desligar os atuadores de cada um dos nós
separadamente, conforme a necessidade e o desejo do operador (Figura 7.6).
Figura 7.6 - Tela com os displays e os botões de acionamento
Fonte: Elipse E3.
7.2.2 Microcontrolador mestre
No sistema proposto, há apenas um microcontrolador mestre, cuja função é
desenvolvida por um PIC18F45K80. Este modelo foi escolhido devido à presença de
duas portas seriais, condição essencial à implementação do mestre, já que ele interliga
os nós à tela de supervisão. Em outras palavras, as portas RX1/TX1 são conectadas a
um barramento, no qual estão conectados os nós e seus respectivos sensores e
atuadores, enquanto que as portas RX2/TX2 comunicam-se à serial que está no
computador e que envia os dados ao supervisório (Figura 7.7).
Figura 7.7 - Diagrama de ligações do microcontrolador mestre.
O microcontrolador mestre coordena tanto o envio e a requisição de dados do
sistema supervisório, como solicita de cada um dos nós o envio do estado de seus
sensores, dos atuadores e das chaves ligadas a eles. Independente do supervisório
pedir os dados, o mestre têm autonomia para solicitar os dados dos seus escravos por
meio de uma varredura, a cada período de tempo. Nisso, ele atualiza um frame
ciclicamente, aguardando o pedido do supervisório para enviar o dado pedido.
Em relação ao software, há diversos compiladores para a linguagem C
disponíveis para os microcontroladores PIC18F. Dentre eles, o MikroC Pro,
desenvolvido pela empresa MikroEletronika, é um dos mais populares e de fácil
aprendizado, e foi utilizado para desenvolver este projeto. Além de possuir uma grande
quantidade de bibliotecas disponível, tem a possibilidade de simular o recebimento de
dados da serial, muito útil para testar a estrutura do código elaborado.
O código, nesta fase do projeto, teve que ser estruturado de modo a possuir um
padrão de envio de dados pela serial, de modo a serem transmitidos todos os estados
de cada microcontrolador escravo em apenas um pacote.
Foi estabelecido um frame padrão para a comunicação do mestre com os
escravo e este pode ser ampliado conforme a necessidade. Como pode ser visto na
figura 7.8, ele é composto por 11 bytes, divididos em 5 parâmetros distintos:
identificação, comando, sensores, chaves e atuadores. O primeiro corresponde à
identificação de cada escravo no barramento (nó 1, nó 2, e assim por diante), enquanto
que o comando representa a instrução que deve ser executada no nó, leitura (0) ou
escrita (1). Os estados dos sensores são armazenados nas variáveis denominadas
ain(0), ain(1) e ain(2), que correspondem às entradas analógicas, enquanto que as
duas chaves, ou botões, uma para ligar e outra para desligar todos os atuadores, são
identificadas como din(0), din(1), isto é, entradas digitais. Já os quatro atuadores, que
representam as lâmpadas e os climatizadores em cada um dos cômodos da residência,
são denominados dout(0), dout(1), dout(2) e dout(3), pois são as saídas digitais do
sistema.
Figura 7.8 - Estrutura do frame enviado pelo barramento serial RS-485.
Este frame permite o envio de informações padronizadas entre o mestre e os
escravos conectados ao barramento. O mestre envia esse frame ao barramento RS-485
e todos os escravos recebem, sendo que apenas o nó que possui a identificação igual o
primeiro byte recebido lê a informação e o comando, para então executar a ação, como
pode ser verificado no código do mestre no anexo 1.
7.2.3 Microcontroladores escravos
Para o microcontrolador escravo também foi escolhido um PIC18F45K80.
Entretanto, para este propósito, considerou-se a presença de 35 portas I/O que
possibilita a inserção de mais sensores e atuadores, criando a possibilidade de
aumentar o sistema, sem a necessidade de trocar o microcontrolador. Também, é
indispensável haver pelo menos uma porta serial USART, pois cada um dos nós será
ligado a um barramento RS-485 (Figura 7.9).
Em teoria, pode-se inserir quanto escravos forem necessários. Apesar de ser
uma norma, a RS-485 não define o número máximo de dispositivos. Entretanto, por
questões de taxa de transmissão e da distância máxima sugerida da rede (1200
metros), recomenda-se o uso de até 32 dispositivos com carga unitária de 15kΩ,
referente à resistência que cada um representa no barramento.
Do ponto de vista de funcionamento, cada um dos microcontroladores escravos
têm uma autonomia própria. Isto é, são capazes de acionar ou desligar todos os
atuadores baseados nos valores recebidos pelos sensores e podem atuar sobre as
cargas. Ainda, há a possibilidade de operar no próprio nó, de modo a acionar ou
desligar todos os atuadores em conjunto através de dois botões que foram inseridos
para realizar essa tarefa manualmente, conforme a necessidade do operador.
O firmware de cada um dos microcontroladores escravos foi desenvolvido de
forma semelhante (Anexo 2), cada um com uma entrada analógica e quatro saídas
digitais. Cada um dos programas teve suas peculiaridades, por serem sensores
diferentes, mas a função utilizada para a leitura dos dados era a mesma - adc_read. E a
saída dos atuadores são sinalizados por leds. Além disso, utilizam o mesmo frame do
microcontrolador mestre, possibilitando o intercâmbio de informações no barramento.
Figura 7.9 - Diagrama de ligações do microcontrolador escravo
7.2.4 Sensores e atuadores utilizados
Neste projeto, os sensores utilizados para a simulação foram LM35 e um LDR
comum. Ambos são muito utilizados em pequenas automações, por serem de fácil
manuseio e baixo custo. São ótimos sensores analógicos e suprem a necessidade do
projeto.
Fabricado pela National Semiconductor, o sensor de temperatura LM35 consiste
em um circuito integrado que fornece uma tensão linear proporcional à temperatura
absoluta. Por ser um sensor de fácil manuseio, seu circuito usual também é bastante
simples, sendo necessário apenas o sensor, um amplificador de sinal e uma interface
para a leitura do sinal. O circuito integrado do LM35 foi conectado ao microcontrolador
com o auxílio de seu datasheet (Figura 7.10). Os pinos 8 e 4 foram ligados a uma fonte
de tensão e ao terra, respectivamente, enquanto que o pino 1 à entrada configurada
como analógica do escravo.
Figura 7.10 - Diagrama de ligação do sensores LM35
Já o LDR é constituído de duas células fotocondutivas de sulfeto de cádmio. Sua
resistência diminui conforme aumenta a intensidade de luz que incide sobre ele. É um
dos sensores de luz mais utilizados por ser simples e possuir resposta semelhante ao
do olho humano, além de ser de custo muito reduzido. No circuito, o componente foi
utilizado como um divisor de tensão, para que a tensão que será lida pela entrada
analógica do microcontrolador seja proporcional à variação da resistência. O diagrama
de ligação pode ser visto na figura 7.11.
Figura 7.11 - Diagrama de ligação do LDR
Os atuadores, que correspondem às lâmpadas e motores, foram sinalizados por
leds, como modo de mostrar a saída do acionamento. Cada led está ligados entre a
saída do microcontrolador e um resistor de 390 ohms, e este ligado ao terra.
7.2.5 Comunicação
Todo o sistema utilizou os padrões seriais RS-232 e RS-485 como forma de
comunicação entre as três partes que compões o projeto (Figura 7.12). Como a saída
do microcontrolador tem uma faixa 0 a 5 volts, o componente MAX232 tem a função de
adequar essa saída, convertendo o sinal para -12/+12volts. Do mesmo modo ocorre
com o par trançado que liga o mestre aos escravos, só que o MAX487, além de
modificar a tensão (0 a 5 volts para -7 a +12 volts), permite conectar até 32 dispositivos
à rede.
Figura 7.12 - Diagrama de ligação do MAX232 e do MAX485
Do ponto de vista de protocolos, nenhum dos dois barramentos possui um
protocolo específico. Tanto o RS-232 quanto o RS-485 representam apenas a camada
física do modelo OSI, isto é, a interface elétrica para o acesso ao meio de comunicação.
Dessa forma, tem-se apenas essa camada participando da comunicação no
barramento.
7.3 Descrição do sistema em funcionamento O projeto em funcionamento pode ser dividido também em três fases: a ação dos
atuadores devido à ação do microcontrolador escravo, relação entre mestre e escravo e
o comando do supervisório sobre o restante do sistema (Figura 7.13).
Figura 7.13 - Diagrama de blocos do sistema proposto
Em relação aos sensores, quando estes atingem 40% de luminosidade, caso do
LDR, ou 25° C, no caso do LM35, os microcontroladores têm a autonomia de acionar os
atuadores em conjunto. Do mesmo modo, quando aciona-se o primeiro botão, em cada
nó, todos os atuadores são ligados ao mesmo tempo, e o segundo botão tem o poder
de desligá-los.
Entre o mestre e seus escravos, o mestre pede periodicamente os dados de
todos os nós do sistema, atualizando sempre o frame com as informações. Então,
confere se o supervisório está requisitando os valores, para poder responder.
O supervisório em relação ao sistema só requisita dados do mestre, mas reflete
nos atuadores apenas quando o usuário opera. Então ele envia um comando (byte)
para o mestre solicitando a atualização dos sensores e atuadores e o mestre envia os
dados já atualizados previamente (modo automático). Caso ocorra o acionamento de
um atuador, este evento é enviado até o mestre, que compara o comando e envia ao nó
certo um frame pedindo que escreva o estado no atuador desejado; o escravo executa
o comando, ligando ou desligando o atuador. O sistema em funcionamento pode ser
resumido pelo fluxograma mostrado na figura 7.14.
Figura 7.14 - Fluxograma do sistema proposto
Ação do
operador
Requisição de
dados
Supervisório Acionamento
botão
Envio de dados
Envio de dados
Operador
Mestre
Requisição de
dados
Ação do
operador
Escravo
Envio de dados
Sensor
Início
Liga/Desliga
Atuadores Fim
Botão
8 RESULTADOS
8.1 Simulação O software utilizado para testar o sistema desenvolvido foi o Proteus VSM, que
simula circuitos eletrônicos, inclusive projetos baseados em microcontroladores,
desenvolvido pela Labcenter Eletronics Ltd.
8.1.1 Nós e sensores
Primeiramente, foram simulados os nós com os sensores para testar o correto
funcionamento do código programado. Como cada sensor estará em um nó, cada um
foi testado separadamento com seus respectivos atuadores, sinalizados por leds
(Figuras 8.1 e 8.2). Cada um executou a função esperada e seus resultados foram
conferidos com o auxílio do dispay lcd.
Figura 8.1 - Simulação dos sensores de luminosidade
Figura 8.2 - Simulação dos sensores de luminosidade
8.1.2 Interação entre mestre e escravo
Entre os microcontroladores mestre e escravo, utilizou-se as portas seriais uart,
igando os RX/TX, e acionando os atuadores por meio de chaves no mestre.
Como desejado, programa funcionou corretamente, e executou as funções de
acionamento dos atuadores (Figura 8.3). O sensor lê continuamente a temperatura ou a
luminosidade de 4 cômodos diferentes da residência. Quando atinge um valor
determinado, ele aciona os atuadores, ligando-os. Quando o botão 1 é pressionado no
mestre, este envia uma ordem de leitura dos valores do sensor. O escravo recebe esse
frame e solicita a leitura do sensor, e então envia um outro frame ao mestre, com o
valor solicitado. Por outro lado, quando pressionado o botão 2, o mestre também envia
um frame com o comando de acionamento dos atuadores no microcontrolador escravo.
Figura 8.3 - Simulação do funcionamento entre mestre e escravo
8.1.3 Conexão dos microcontroladores com o sistema supervisório
Para testar a conexão do mestre com o sistema supervisório, foi feito um sistema
genérico mais simples, utilizando um voltímetro digital.
Por meio de um comando enviado quando o botão A era pressionado, o
microcontrolador enviava o valor lido no voltímetro ao supervisório e este o exibia na
tela (Figura 8.4). Caso fosse apertado o botão que enviava o comando B, o mestre
enviava uma frame que não podia ler o valor e piscava um led.
Figura 8.4 - Simulação entre microcontrolador e supervisório
8.1.4 Sistema completo
Concluídas as etapas anteriores, inseriu-se dois nós a um barramento RS-485 e
uma saída serial para o mestre, de modo a conectá-lo ao supervisório. Essas foram as
maiores modificações feitas em relação aos modelos simulados (Figura 8.5).
Figura 8.5 - Simulação entre microcontrolador e supervisório
9 DISCUSSÕES E CONCLUSÕES
9.1 Resultados obtidos
O Proteus VSM possibilitou a integração de todos os componentes para testar o
funcionamento de todo o sistema proposto. Foi possível verificar o envio dos comandos
e o recebimento dos valores desejados posteriormente exibidos na tela do supervisório.
Cada um dos botões foi pressionado separadamente, e os atuadores executaram a
ação desejada. Os sensores, também, enviaram seus valores ao microcontrolador
mestre, e este, sempre que solicitado, enviou as informações ao supervisório.
9.2 Dificuldades encontradas
Em relação à simulação, percebeu-se que a comunicação entre o supervisório e
o mestre não foi bem configurada. Isso pode ser observado na visualização do display,
em que se perde parte do valor que está sendo recebido. Também, notou-se que há
uma certa demora no recebimento dos comandos a partir do supervisórios.
Em relação à montagem do sistema proposto, o maior problema estava
relacionado ao gravador do microcontrolador. O único gravador disponível não gravava
o microcontrolador PIC18F45K80, o que impossibilitou a utilização dele no projeto. Teve
que ser usado outros microcontroladores e eles não possuíam as duas portas seriais,
condição essencial para o microcontrolador mestre. Devido a isso, não foi possível
testar o sistema físico em funcionamento e portanto, a obtenção dos resultados reais.
9.3 Análise dos resultados
A partir da simulação do sistema proposto, percebe-se que é possível ter uma
pequena automação residencial para a execução de tarefas como medição de
temperatura e luminosidade de ambientes. O sistema funcionou o mínimo do esperado
devido a alguma falhas da programação dos microcontroladores. Apesar disso, diversos
ajustes devem ser feitos, de modo a ter o melhor desempenho e todas as funções
implementadas corretamente.
9.4 Trabalhos futuros
A implementação de mais sensores e atuadores nos nós e a adição de mais nós
para análise de funcionamento e desempenho do sistema. Há também a possibilidade
de implementar outros protocolos de comunicação existentes, como por exemplo, a
rede CAN
9.5 Conclusões
Por meio do sistema desenvolvido, houve uma compreensão sobre as etapas de
um projeto. Partindo de um conhecimento básico sobre o assunto e uma proposta,
criou-se um sistema diferenciado, com padrões simples e funcional, possível ser
implementado em uma residência.
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APÊNDICE 1 - Código do microcontrolador mestre ============================================================================ MASTER 00 ============================================================================ // configuração LCD sbit LCD_RS at RD4_bit; sbit LCD_EN at RD5_bit; sbit LCD_D4 at RD0_bit; sbit LCD_D5 at RD1_bit; sbit LCD_D6 at RD2_bit; sbit LCD_D7 at RD3_bit; sbit LCD_RS_Direction at TRISD4_bit; sbit LCD_EN_Direction at TRISD5_bit; sbit LCD_D4_Direction at TRISD0_bit; sbit LCD_D5_Direction at TRISD1_bit; sbit LCD_D6_Direction at TRISD2_bit; sbit LCD_D7_Direction at TRISD3_bit; // Inicialização variáveis char txt1() = "TCC"; char txt2() = "Domotica"; // Constantes const unsigned int FOSC = 8000; const unsigned char END_STR() = "END"; const unsigned char DELAY = 100; // Inicialização variáveis unsigned char count = 0; int nnos = 2; int idnode = 0; // Variável do nó unsigned char id_node = 0; // Constantes const unsigned char NODE_ID = 0; // Node 00 = MASTER //Função supervisório Const unsigned carga110 = 10; //nó 1, carga 1, desligado Const unsigned carga111 = 11; Const unsigned carga120 = 20; Const unsigned carga121 = 21; Const unsigned carga110 = 30; Const unsigned carga110 = 31; Const unsigned carga110 = 40; Const unsigned carga110 = 41; Const unsigned carga110 = 50; Const unsigned carga110 = 51; Const unsigned carga110 = 60;
Const unsigned carga110 = 61; Const unsigned carga110 = 70; Const unsigned carga110 = 71; Const unsigned carga110 = 80; Const unsigned carga110 = 81; // NODE Structure struct Node char slaveid; char slavecommand; char ain(3); char din(2); char dout(4); Device; // Interrupt Table // INT TIMER0 (LED "alive") void interrupt() if (INTCON.TMR0IF) PORTE.B0 = ~PORTE.B0; INTCON.TMR0IF = 0; void Send_Frame(unsigned char id_node, unsigned char comando) // Envia o Frame pela serial unsigned char lcd_str(4); PORTC.B5 = 1 Delay_ms(2*DELAY); UART1_Write (id_node); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (comando); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.ain(0)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.ain(1)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.ain(2)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.din(0)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.din(1)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.dout(0)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.dout(1)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.dout(2)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.dout(3)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write_Text("END"); Delay_ms (2*DELAY); PORTC.B5 = 0;
// Pisca LED PORTE PORTE.B1 ^= 1; void Receive_Frame() //Recebe o Frame pela serial unsigned char rx_frame(20); unsigned char lcd_str(4); UART1_Read_Text(rx_frame, "END", 20); // lê o texto até encontrar a palavra "end" // Identifica comando enviado pelo Master Device.slaveid = rx_frame(0); Device.slavecommand = rx_frame(1); // Atualiza matriz do Device Device.ain(0) = rx_frame(2); // Sensor AN0 Device.ain(1) = rx_frame(3); // Sensor CH0 Device.ain(2) = rx_frame(4); // Sensor CH1 Device.din(0) = rx_frame(5); // Sensor CH2 Device.din(1) = rx_frame(6); // Sensor CH3 Device.dout(0) = rx_frame(7); // Saida CH0 Device.dout(1) = rx_frame(8); // Saida CH1 Device.dout(2) = rx_frame(9); // Saida CH2 Device.dout(3) = rx_frame(10); // Saida CH3 // Pisca LED PORTE PORTE.B2 ^= 1; void Send_Scada() // Envia dados para o SCADA pela serial char rec(1); if (rec(0) =='A') //envio do frame UART2_Write (id_node); Delay_ms(DELAY); UART2_Write (comando); Delay_ms(DELAY); UART2_Write (Device.ain(0)); Delay_ms(DELAY); UART2_Write (Device.ain(1)); Delay_ms(DELAY); UART2_Write (Device.ain(2)); Delay_ms(DELAY); UART2_Write (Device.din(0)); Delay_ms(DELAY); UART2_Write (Device.din(1)); Delay_ms(DELAY); UART2_Write (Device.dout(0)); Delay_ms(DELAY); UART2_Write (Device.dout(1)); Delay_ms(DELAY); UART2_Write (Device.dout(2)); Delay_ms(DELAY);
UART2_Write (Device.dout(3)); Delay_ms(DELAY); UART2_Write_Text("END"); Delay_ms (2*DELAY); void Command_Scada() // Envia comandos d o SCADA para os escravos char rec(2); if (rec(2)== carga110) Device.rxid(1)=1; Device.dout(0)=0; Send_Frame(1,1); else if (rec(2)== carga111) Device.rxid(1)=1; Device.dout(0)=1; Send_Frame(1,1); else if (rec(2)== carga120) Device.rxid(1)=1; Device.dout(1)=0; Send_Frame(1,1); else if (rec(2)== carga121) Device.rxid(1)=1; Device.dout(1)=1; Send_Frame(1,1); else if (rec(2)== carga130) Device.rxid(1)=1; Device.dout(2)=0; Send_Frame(1,1); else if (rec(2)== carga131) Device.rxid(1)=1; Device.dout(2)=1; Send_Frame(1,1); else if (rec(2)== carga140) Device.rxid(1)=1; Device.dout(3)=0; Send_Frame(1,1); else if (rec(2)== carga141) Device.rxid(1)=1; Device.dout(3)=1; Send_Frame(1,1); else if (rec(2)== carga210) Device.rxid(1)=2; Device.dout(0)=0; Send_Frame(2,1); else if (rec(2)== carga211) Device.rxid(1)=2; Device.dout(0)=1; Send_Frame(2,1); else if (rec(2)== carga220) Device.rxid(1)=2; Device.dout(1)=0;
Send_Frame(2,1); else if (rec(2)== carga221) Device.rxid(1)=2; Device.dout(1)=1; Send_Frame(2,1); else if (rec(2)== carga230) Device.rxid(1)=2; Device.dout(2)=0; Send_Frame(2,1); else if (rec(2)== carga231) Device.rxid(1)=2; Device.dout(2)=1; Send_Frame(2,1); else if (rec(2)== carga240) Device.rxid(1)=2; Device.dout(3)=0; Send_Frame(2,1); else if (rec(2)== carga241) Device.rxid(1)=2; Device.dout(3)=1; Send_Frame(2,1); Void Varredura_master () for(i=0;i<=nnos;i++) idnode = i; UART1_write(idnode); // ============================================================================= // MAIN // ============================================================================= void main() // Registradores ADCON1 = 0b00001110; // PORTA pins: only AN0 Analog TRISA = 0xFF; TRISC = 0xF0; TRISC.B7 = 1; // RX UART TRISD = 0x00; // TRISE = 0b0001000; // RE3 is MCLR PORTA = 0; // Inicialização LCD Lcd_Init(); Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF); Lcd_Out(1,1,txt1); Lcd_Out(2,1,txt2); Delay_ms(1000); Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR);
// Inicializa UART UART1_Init(9600); Delay_ms(200); UART2_Init(9600); Delay_ms(200); // Config INTERRUPTIONS INTCON.GIE = 1; // Enable all INTs //INTCON.PEIE = 1; // Enable peripheral INTs (TIMER2) INTCON.TMR0IE = 1; // Timer0 INT Enabled INTCON.INT0IE = 0; // Disables the INT0 external interrupt INTCON.RBIF = 0; // RBx port change disabled INTCON.TMR0IF = 0; // Clear INT flag //INTCON2.TMR0IP = 1; // TMR0 Overflow Interrupt Priority :High priority // Timer0 Config (LED Alive) TMR0L = 0xFF; TMR0H = 0xFF; T0CON.TMR0ON = 1; T0CON.T08BIT = 0; T0CON.T0CS = 0; T0CON.T0SE = 0; T0CON.PSA = 0; // Prescaler T0CON.T0PS2 = 0; T0CON.T0PS1 = 1; T0CON.T0PS0 = 1; // --------------------------------------------------------------------------- // MAIN LOOP // --------------------------------------------------------------------------- while (1) Varredura_Master(); if (UART1_Data_Ready()) // If data is received, Receive_Frame(); else if (UART2_Data_Ready()) , Receive_Scada(); If ((rec(0)=='A') && (rec(1)== idnode)) Send_Scada(); else If ((rec(0)=='B') && (rec(1)== idnode)) Command_Scada(); Delay_ms(2*DELAY); // While 1 // Main
APÊNDICE 2 - Código do microcontrolador escravo ============================================================================ SLAVE 01 **o SLAVE 02 é identico, só muda seu id_node ============================================================================ // LCD module connections sbit LCD_RS at RD4_bit; sbit LCD_EN at RD5_bit; sbit LCD_D4 at RD0_bit; sbit LCD_D5 at RD1_bit; sbit LCD_D6 at RD2_bit; sbit LCD_D7 at RD3_bit; sbit LCD_RS_Direction at TRISD4_bit; sbit LCD_EN_Direction at TRISD5_bit; sbit LCD_D4_Direction at TRISD0_bit; sbit LCD_D5_Direction at TRISD1_bit; sbit LCD_D6_Direction at TRISD2_bit; sbit LCD_D7_Direction at TRISD3_bit; // Inicialização variáveis char txt1() = "TCC"; char txt2() = "Domotica"; // Constantes const unsigned char NODE_ID = 1; // Node 01 const unsigned int FOSC = 8000; const unsigned char END_STR() = "END"; const unsigned char DELAY = 100; // Inicialização variáveis unsigned char count = 0; // NODE Structure struct Node char rxid; char rxcommand; char ain(5); char dout(4); Device; // INTERRUPT Table void interrupt() // INT TIMER0 (LED "alive") if (INTCON.TMR0IF) PORTE.B0 = ~PORTE.B0; INTCON.TMR0IF = 0; void Send_Frame(unsigned char id_node, unsigned char comando) // Envia o Frame pela serial unsigned char lcd_str(4); PORTC.B5 = 1; // write enable MAX487 Delay_ms(2*DELAY);
UART1_Write (id_node); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (comando); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.ain(0)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.ain(1)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.ain(2)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.din(0)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.din(1)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.dout(0)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.dout(1)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.dout(2)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write (Device.dout(3)); Delay_ms(DELAY); UART1_Write_Text("END"); Delay_ms (2*DELAY); PORTC.B5 = 0; // Pisca LED PORTE PORTE.B1 ^= 1; void Run_Command() // Executa o comando enviado pelo MASTER if (Device.rxcommand == 0) // READ STATUS AND SEND TO MASTER // Read Status dos sensores Device.ain(0) = ADC_Read(0); // Sensor AN0 Device.ain(1) = PORTA.B1; // Sensor CH0 Device.ain(2) = PORTA.B2; // Sensor CH1 Device.din(0) = PORTA.B3; // Sensor CH2 Device.din(1) = PORTA.B4; // Sensor CH3 Device.dout(0) = PORTC.B0; // Saida CH0 Device.dout(1) = PORTC.B1; // Saida CH1 Device.dout(2) = PORTC.B2; // Saida CH2 Device.dout(3) = PORTC.B3; // Saida CH3 // Envia dados ao Master Send_Frame(NODE_ID, 0); Delay_ms(2*DELAY); else if (Device.rxcommand == 1) // WRITE TO SLAVE DEVICE // Atualiza Sensores de Saída PORTC.B0 = Device.dout(0); // Saida CH0 PORTC.B1 = Device.dout(1); // Saida CH1 PORTC.B2 = Device.dout(2); // Saida CH2 PORTC.B3 = Device.dout(3); // Saida CH3
void Receive_Frame() // Recebe o Frame pela serial unsigned char rx_frame(20); UART1_Read_Text(rx_frame, "END", 20); // reads text until END is found // Identifica comando enviado pelo Master Device.rxid = rx_frame(0); Device.rxcommand = rx_frame(1); // Reconhece que a chamada é dirigida a ele if (Device.rxid == NODE_ID) // Atualiza matriz do Device Device.ain(0) = rx_frame(2); // Sensor AN0 Device.ain(1) = rx_frame(3); // Sensor CH0 Device.ain(2) = rx_frame(4); // Sensor CH1 Device.din(0) = rx_frame(5); // Sensor CH2 Device.din(1) = rx_frame(6); // Sensor CH3 Device.dout(0) = rx_frame(7); // Saida CH0 Device.dout(1) = rx_frame(8); // Saida CH1 Device.dout(2) = rx_frame(9); // Saida CH2 Device.dout(3) = rx_frame(10); // Saida CH3 // Pisca LED PORTE PORTE.B2 ^= 1; // Executa o comando Run_Command(); Void chaves() If (PORTA.B3=1) PORTC.B0 = 1; PORTC.B1 = 1; PORTC.B2 = 1; PORTC.B3 = 1; If (PORTA.B4=1) PORTC.B0 = 0; PORTC.B1 = 0; PORTC.B2 = 0; PORTC.B3 = 0; Void Varredura_Slave() Char idnode(5); If (Uart1_Data_Ready()) Uart1_Read_Text(idnode,"END",5) If (Device.rxid == idnode) Send_Frame(i,1); void main() //MAIN LOOP // Registradores ADCON1 = 0b00001110; // PORTA pins: only AN0 Analog TRISA = 0xFF; // PORTA is all input TRISC = 0xF0; TRISC.B7 = 1; // RX UART
TRISD = 0x00; // TRISE = 0b0001000; // RE3 is MCLR PORTA = 0; Lcd_Init(); // Inicialização LCD Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF); Lcd_Out(1,1,txt1); Lcd_Out(2,1,txt2); Delay_ms(1000); Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); UART1_Init(9600); // Inicializa UART Delay_ms(200); ADC_Init(); // Inicializa ADC // Config INTERRUPTIONS INTCON.GIE = 1; // Enable all INTs //INTCON.PEIE = 1; // Enable peripheral INTs (TIMER2) INTCON.TMR0IE = 1; // Timer0 INT Enabled INTCON.INT0IE = 0; // Disables the INT0 external interrupt INTCON.RBIF = 0; // RBx port change disabled INTCON.TMR0IF = 0; // Clear INT flag //INTCON2.TMR0IP = 1; // TMR0 Overflow Interrupt Priority :High priority // Timer0 Config (LED Alive) TMR0L = 0xFF; TMR0H = 0xFF; T0CON.TMR0ON = 1; T0CON.T08BIT = 0; T0CON.T0CS = 0; T0CON.T0SE = 0; T0CON.PSA = 0; // Prescaler T0CON.T0PS2 = 0; T0CON.T0PS1 = 1; T0CON.T0PS0 = 1; // --------------------------------------------------------------------------- // MAIN LOOP // --------------------------------------------------------------------------- while (1) Varredura_Slave(); // Verifica chegada de requisição do MASTER if (UART1_Data_Ready()) // If data is received, Receive_Frame(); Run_Command(); Chaves(); Send_Frame(); Delay_ms(2*DELAY); // While 1 // Main
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