Projeto Integrador
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Sobre o Projeto
Introdução
Como estamos vivendo eu uma crise de energia onde cada vez mais estamos consumindo os recursos energéticos para satisfazer nossas necessidades e observando o dia-a-dia das pessoas, observa-se que na maioria dos lares as pessoas acendem as luzes, mas na maioria das vezes se esquecem de apaga-la. Uma ideia simples que todo mundo já conhece é colocar um sensor de presença para ficar monitorando o ambiente, mas este sistema possui alguns inconvenientes. Se a pessoa estiver lendo ou assistindo alguma coisa, onde a mesma permaneça imóvel por mais de 1 minuto o sensor desliga a luz e causa um incomodo. E mesmo assim quanto à pessoa sai do ambiente o sensor demora alguns segundos para desligar a luz. Pensando neste problema e conversando com o grupo observamos que todos os integrantes tem o mesmo problema e conversando com outras pessoas se constatou que todas elas têm o mesmo problema de esquecer as luzes acesas. Com esta observação se teve a ideia de criar um projeto que atenda a esta demanda de economia de energia em iluminação.
1.Objetivo
O projeto tem como objetivo fazer um controle de iluminação inteligente, mas sem retirar o direito da pessoa decidir quando ela precisa de iluminação e por quanto tempo ela precisa. O sistema deverá contar quantas pessoas entraram ou saíram da alguma área e só deverá apagar a luz se na área não estiver mais ninguém. Para isto cada área poderá ter 02 sensores que deverá detectar o deslocamento do fluxo de pessoas, se estão entrando no ou saindo da área.
O sistema deverá fazer o acionamento da luz e também receber a informação de um botão de toque para o acionamento da luz. Mas para o sistema fazer todas estas lógicas com um ou mais áreas deverá utilizar algum microcontrolador para atender a necessidade do projeto tanto para efeito de controle em si, como para mostrar os acontecimentos do sistema.
O projeto desta vez vai conseguir fazer o levantamento de eficiência entre o projeto integrado é um sensor de presença comercial atrás de gráficos de eficiência de comparação entre sistemas
Revisão bibliográfica
Arduino Uno
Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e de placa única, projetada com um microcontrolador Atmel AVR com suporte de entrada/saída embutido, uma linguagem de programação padrão, é essencialmente C/C++. O objetivo do projeto arduino é criar ferramentas que são acessíveis, com baixo custo, flexíveis e fáceis de usar por artistas e amadores. Principalmente para aqueles que não teriam alcance aos controladores mais sofisticados e de ferramentas mais complicadas.
Pode ser usado para o desenvolvimento de objetos interativos independentes, ou ainda para ser conectado a um computador hospedeiro. Uma típica placa Arduíno é composta por um controlador, algumas linhas de E/S digital e analógica, além de uma interface serial ou USB, para interligar-se ao hospedeiro, que é usado para programá-la e interagi-la em tempo real. Ela em si não possui qualquer recurso de rede, porém é comum combinar um ou mais Arduinos deste modo, usando extensões apropriadas chamadas de shields. A interface do hospedeiro é simples, podendo ser escrita em várias linguagens. A mais popular é a Processing, mas outras que podem comunicar-se com a conexão serial são: Max/MSP, Pure Data, SuperCollider, ActionScript e Java."
No projeto o Raspberry Pi foi substituído pelo Arduino Uno devido a redução de custos e também pela viabilidade técnico, por sua programação que e feito usando C/C++ onde todos os integrantes do grupo possuem mais conhecimento da linguagem e também por tem uma infinidade de bibliotecas prontas e muita documentação disponível tanto em livros como na internet. No Figura 3.1.1 o microcontrolador Arduino Uno.
Figura 3.1.1 – Arduino Uno que será usado no projeto
Display LCD 20x4
O display de LCD 20x4 é um dispositivo eletrônico formado por uma matriz de 4 linhas e 20 colunas com 16 pinos de entrada. No display existe um microprocessador interno que faz o processamento dos códigos binários recebidos em suas entradas. No projeto será usado para mostrar os resultados internos do microcontrolador como quantidades de pessoas em cada área e se a iluminação esta ligada ou desligada. Na figura 3.2.1 mostra um exemplo de display LCD 20x4.
Figura 3.2.1 – Exemplo de display LCD 20x4.
Módulo i2c para display
O módulo i2c para display é um dispositivo eletrônico que utiliza o protocolo i2c de comunicação para fazer uma integração entre um display de 16 pinos e qualquer outro dispositivo que se comunique com o protocolo i2c. No projeto foi necessária à utilização deste modulo para economizar as entradas e saída do microcontrolador Arduino Uno, pois o mesmo possui apenas 14 entradas ou saídas e um display LCD 20x4 utilizam 16 pinos para se comunicar. Com a utilização do modulo i2c usa apenas 4 pinos sendo que 2 pinos são o +5V(volts) e o GND para alimentação em corrente continua do modulo e do display e apenas 2 pinos para comunicação. Na figura 3.3.1 mostra a figura do modulo i2c para display e na figura 3.3.2 mostra com e feita a instalação do modulo i2c no display.
Figura 3.3.2 – Módulo i2c instalado
em um display
Figura 3.3.1 – Módulo i2c para display
Sensor Fotoelétrico Difuso
O sensor fotoelétrico é um sensor que detecta objetos por meio de um feixe de luz. Seu funcionamento é feito por um emissor de luz (led infravermelho, luz visível, etc.) e um receptor para esta mesma luz.
Difuso: É um tipo de sensor que possui o emissor de luz e o receptor lado a lado e no mesmo corpo (invólucro). O emissor emite um feixe de luz, se algum objeto entra na frente deste feixe a luz é refletida na superfície do material do objeto de volta para o receptor do sensor, fazendo assim a detecção que é convertida em comutação de contatos NA ou NF ou transistor para corrente alternada ou corrente contínua. Os sensores que utilizamos no projeto são de tensão de alimentação de 24V (volts) em corrente continua. Na figura 3.4.1. mostra uma imagem do sensor sendo que no projeto estamos usando 4 sensores e na figura 3.4.2 mostra um exemplo de funcionamento.
Figura 3.4.1 – Sensor fotoelétrico difuso
Figura 3.4.2 – Exemplo do funcionamento do sensor fotoelétrico
Nós utilizaremos os sensores fotoelétricos para que sejam detectados os fluxos de pessoas na entrada ou na saída das áreas.
Acoplador Óptico.
Os acopladores ópticos são dispositivos que operam por meio de um feixe de luz, para transmitir sinais de um circuito para outro. Eles são muito utilizados para proteger circuitos sensíveis, como os que utilizam microcontroladores. Em geral, por terem uma velocidade maior de comutação, podem substituir com vantagens várias aplicações com relés. A grande vantagem de um acoplador óptico é o seu isolamento elétrico, que pode ser estabelecido entre os circuitos de entrada e saída.
No projeto utilizamos os acopladores ópticos para converter a tensão de 24V (volts) de corrente continua que vem dos sensores para 5V (volts) em corrente continua que será enviado diretamente para o microcontrolador. Na figura 3.5.1. mostra a imagem de um acoplador óptico, no projeto foi utilizando 4 unidades, na figura 3.5.2 mostra sua ligação básica.
Figura 3.5.1 – Acoplador óptico
Figura 3.5.2 – Esquema elétrico da ligação básica
Sensor de Presença
Sensor de Presença são dispositivos eletrônicos usados para centrais de alarme ou para sistemas de iluminação. Os sensores de presença para sistemas de alarme apenas dão pulsos quanto detecta o movimento. Os sensores de presença para iluminação já possuem outras características como; são alimentados com 127V ou 220V (volts), possuem ajustes de 1 segundo a 10 minutos dependo do fabricante e alguns possuem sensores de luz que só fazem acionamento quando a luz de uma determinada área chega a um valor mínimo. O sensor de presença que foi usado figura 3.6.1 para fazer a comparação com o projeto integrador, foi usado um sensor de presença com valores de fabrica, com 1 minuto de acionamento e sem o recurso de sensor de luz.
Figura 3.6.1 – Sensor de presença de iluminação
Raspberry Pi
Raspberry Pi é um computador do tamanho de um cartão de crédito, que se conecta a um monitor de computador ou TV, e usa um teclado e um mouse padrão, desenvolvido no Reino Unido pela Fundação Raspberry Pi. Todo o hardware é integrado numa única placa. O principal objetivo é promover o ensino em Ciência da Computação básica em escolas e universidades.
Além do mais, o Raspberry Pi tem a capacidade de interagir com o mundo exterior, e tem sido usado em uma ampla gama de projetos.
No projeto em si Raspberry Pi 2 não foi mais utilizado, mas teve uma importante função na medição dos tempos de acionamento entre o projeto integrador e um sensor de presença de iluminação integrando o sistema de monitoramento. Como mostra a figura 3.1.1 a imagem de um Raspberry Pi 2.
Figura 3.1.1 – Placa do Raspberry PI 2
Python
Python é uma linguagem de propósito geral de alto nível, open source, multiplataforma suporta o paradigma orientado a objetos, imperativo, funcional e procedural. Possui tipagem dinâmica e uma de suas principais características é permitir a fácil leitura do código e exigir poucas linhas de código se comparado ao mesmo programa em outras linguagens. Devido as suas características, ela é principalmente utilizada para processamento de textos, dados científicos e criação de páginas dinâmicas para a web.
No projeto foi utilizada para a programação do Raspberry Pi para fazer o sistema de monitoramento dos sistemas.
Relé
Relé é um interruptor eletromecânico. A movimentação física deste interruptor ocorre quando a corrente elétrica percorre as espiras da bobina do relé, criando assim um campo magnético que por sua vez atrai a alavanca responsável pela mudança do estado dos contatos.
O relé é um dispositivo eletromecânico, com inúmeras aplicações possíveis em comutação de contatos elétricos, servindo para ligar ou desligar dispositivos. É normal o relé estar ligado a dois circuitos elétricos. No caso do relé eletromecânico, a comutação é realizada alimentando-se a bobina do mesmo. Quando uma corrente originada no primeiro circuito passa pela bobina, um campo eletromagnético é gerado, acionando o relé e possibilitando o funcionamento do segundo circuito. Sendo assim, uma das aplicações do relé é usar baixas correntes para o comando no primeiro circuito, protegendo o operador das possíveis altas correntes que irão circular no segundo circuito (contatos).
No sistema de monitoramento dos sistemas foi usado 2 relés para receber os comandos do sensor de presença e do projeto integrador pois as bobinas dos relés utilizando eram de 220V(volts) em corrente alternada. Figura 3.9.1 mostra o relé que foi utilizando no sistema de monitoramento.
Figura 3.9.1 – Relé com suporte de bobina 220V (volts)
Supervisório arduino
Supervisório arduino é uma placa eletrônica que é usada para executar as programações finalizadas, isto é, e usada penas quando uma programação já feita com o arduino uno esta devidamente testa e finaliza. Simplesmente é retirado o CI AVR do arduino uno e colocado na placa supervisório arduino onde nesta placa têm saídas e entradas com terminais com bornes para ligações com o mundo externo da placa. A placa supervisório pode ser alimentada com 12V(volts) diretamente ou com 5V(volts) com e feito no arduino uno. Na figura 3.10.1 mostra a imagem do supervisório arduino
Figura 3.10.1 – Supervisório arduino
Modulo de relé para arduino
O modulo de relé para arduino é um conjunto de componentes eletrônicos que tem a função de fazer com que o arduino possa comandar carga de alta potencia diretamente atrás de um rele contido na placa do modulo. O modulo recebe um sinal de 0 zero e 5V (volts) do arduino, onde 0 zero (volts) corresponde ao acionamento do relé e 5V (volts) desliga o relé. No sistema de monitoramento foi usando este modulo para fazer os acionamentos reais de iluminação. Na figura 3.11.1 mostra o modulo de relé que foi usando do sistema de monitoramento
Figura 3.11.1 – Modulo de relé para arduino
Análise do projeto
Descrições da ideia geral do projeto
Com a necessidade de economizar com energia, devido há crise energética, que ocorre em nosso país pesamos em criar um produto que controle o sistema de iluminação de uma casa ou lugares fechados que necessite de iluminação com mais efetividade, um controle que inibe o esquecimento em deixar a luz ligada, um controle que forneça certo conforto para o usuário que o utilize, para que o mesmo com tantas coisas com se preocupar não precise se preocupar com a luz, ajudando assim a redução do consumo de energia no final do mês.
Descrições do funcionamento do projeto.
No projeto existem duas áreas denominada Área 1 e Área 2 onde cada área possuem 2 sensores foto elétricos difusos que captam os deslocamentos dos sentidos de entrada ou saída, cada sensor foto elétrico envia este sinal para os acopladores que fazem a conversão de 24V(volts) para 5V(volts) e os enviam para o microcontrolador arduino uno para fazer o processamento das informação e por sua vez são processados é enviados para o display LCD 20x4 para mostrar os acontecimento do sistema.
Por ser muito complicada a execução física para uma demonstração o grupo achou melhor fazer um protótipo portável para ser apresentado. Foi criado um painel de acrílico para demonstrar as ideias do projeto como mostra a figura 4.2.1.
Figura 4.2.1 – Ideia do projeto.
Para mostrar a quantidade de pessoas que estão em cada área foi usando um display LCD 20x4 para mostra a quantidade e pessoas que esta em cada área e também os status das iluminações de cada área
Dificuldades encontradas na primeira versão do projeto
Problemas com algoritmo
Tivemos dificuldade em relação ao algoritmo em Phyton, que controla o fluxo de entrada e saída de uma área, não conseguimos definir um programa que atendesse às necessidades para o controle do sentido, porém ele foi resolvido com uma lógica alternativa, mas em consequência da nova lógica tivemos outra dificuldade que seria a de estabelecer um critério de parada para que o contador não decrementasse mais.
A solução foi criada via circuitos digitais onde implementamos via hardware, uma nova lógica que atende as nossas necessidades denominada placa drive.
Problemas com corrente das entradas
Como o Raspberry Pi tem dimensões reduzidas toda a sua eletrônica e formada por circuitos SMD de baixa corrente. Devido a isto ele tem uma capacidade muito limitada de corrente de geração de sinais em torno de 51mA (miliamperes) como estávamos utilizando para leituras dos botões resistores da ordem 330 ohms, sobrecarregamos os reguladores de tensão internos que so poderiam gerar apenas 2mA. Devido a isto chegamos a danificar um Raspberry Pi e perdemos tempo e dinheiro. Pois tivemos que adquirir outro para substituir o que deu problemas. Para resolver o problema da corrente foi substituído os resistores dos botões de 330 ohms para 10K ohms conseguindo um corrente de apenas 2uA (microamperes) e assim resolvendo o problema de corrente.
Dificuldades encontradas na segunda versão do projeto
Problemas com algoritmo
Na versão anterior do projeto tivemos dificuldade com o algoritmo para resolver o problema descolamento tivemos que utilizar uma placa drive para cada área. Com isto resolvemos o problema parcialmente, mas o sistema não ficou muito viável, pois ficava muito complicado de instalar em um ambiente real, e também ficou complicado de ficar mostrando as informações do sistema em um console do Python, ou seja, precisávamos de um PC para mostrar as informações deixando ainda mais complicada a instalação pratica.
Para solucionar o problema o grupo decidiu usar um microcontrolador arduino uno por ter um hardware mais barato e mais documentado.
Recompilamos todo o programa de Python para C/C++, mas surgiu o primeiro problema, de como iramos mostras as informações do sistema sem usar um console. A ideia sugerida foi usar um display, mais em vez de melhorar os problemas ganhávamos outro, e o problema era a quantidade de pinos que um display usa com relação ao arduino. Um display usa 14 pinos sem as alimentações e o arduino uno só tem 14 pinos disponíveis de entrada e saídas digitais. E ainda precisaríamos de 8 pinos para os acionamentos da iluminações, botões e os sensores foto elétricos.
Para resolver o problema do display LCD 20x4 foi necessário adquirir um módulo i2c para display, como ele usa o protocolo de comunicação i2c e no arduino usar as entrada A4 e A5 sem usar as outras entradas digitais conseguimos liberar as entradas para os outros dispositivos. Mas depois de tudo isto, voltamos ao problema principal, resolve o problema dos sensores foto elétricos sem usar as placas drive.
Fizemos os testes com o display e com as placas e o sistema funcionava perfeitamente.
Depois de uma analise mais avançada do sistema de deslocamento e depois de vários testes conseguimos resolver o problema do algoritmo de deslocamento, o novo esquema de ligação do sistema e mostrado na figura 6.1.1.
Figura 6.6.1 – Novo esquema de ligação elétrica do sistema