STUDY OF CASE OF AN INTERNET OF THINGS-BASED HOME AUTOMATION
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10162422
Oliveira, A.L.;
Noriega, C.L.
Resumo: A Automação Residencial é uma área de grande potencial de exploração de mercado no Brasil, devido a existente demanda por mais conforto, segurança e eficiência energética em residências. Por outro lado, os sistemas de Automação Residencial atuais são caros para a maioria da população. Diante desta problemática, este trabalho tem como objetivo apresentar as diretivas de desenvolvimento de um projeto de sistema de Automação Residencial sem fio, baseado em Internet das Coisas, e de baixo custo. Para isso foi implementado um servidor centralizado de automação em um microcontrolador ESP32. O sistema propõe controlar e monitorar três plantas, lâmpadas LED, equipamentos de ar-condicionado e janelas motorizadas, a fim de prover para a residência, controle de luminosidade para controle de climatização e fechamento automático de janelas na presença de chuva. Todos os itens controlados possuem conectividade direta com a Internet, o que caracteriza uma aplicação de Internet das Coisas. O usuário pode monitorar as variáveis controladas e controlar os dispositivos por meio de um aplicativo para smartphone. Foram realizados testes de alcance para validar o ESP32 com hardware de um servidor centralizado, e um levantamento de custos dos dispositivos necessários para demonstrar que a aplicação é de baixo custo.
Palavras-chave: Automação Residencial, Internet das Coisas, ESP32
Abstract: Home automation is a rapidly growing market in Brazil due to the existing demand for increased comfort, security, and energy efficiency in residential settings. On the other hand, current home automation systems are expensive for most of the population. Faced with this issue, this project aims to present the directives for developing a low-cost wireless home automation system based on the Internet of Things (IoT). To achieve this, a centralized automation server was implemented on an ESP32 microcontroller. The system aims to control and monitor three plants, LED lights, air conditioning equipment, and motorized windows, with the goal of providing brightness control for climate management and automatic window closure in the presence of rain to the residence. All controlled items have direct internet connectivity, which characterizes an IoT application. Users can monitor the controlled variables and command the controlled devices through a smartphone application. Range tests were conducted to validate the ESP32 with centralized server hardware, and a cost analysis of the required devices was performed to demonstrate that the application is cost-effective.
Keywords: Home Automation, Internet of Things, ESP32
1. Introdução
A automação residencial é um tema da Engenharia Elétrica que desperta bastante interesse tanto no setor acadêmico, quanto no setor privado. Sistemas de automação residencial tem como propósito proporcionar conforto, conveniência, qualidade de vida e segurança para pessoas, por meio da realização de uma variedade de tarefas em ambiente doméstico, como controle e monitoramento de eletrodomésticos, iluminação alarmes, vigilância de vídeo ao vivo, irrigação de jardim e vários outros itens eletrônicos, sem a necessidade de intervenção humana direta (LI; LIN, 2021).
Equipamentos eletrônicos automatizados de uso residencial já existem há alguns anos, as primeiras aplicações de automação residencial eram sistemas autônomos baseados em eletrônica discreta são datadas de 1970 e exclusivamente acessíveis por pessoas de alto poder aquisitivo (MURATORI, 2017). Entretanto com o surgimento de novas tecnologias, esses equipamentos foram mudando ao longo do tempo, passaram a ser majoritariamente baseado em microcontroladores, tornando capazes de processar dados, e hoje com o advento da Internet das Coisas (IoT), e o avanço das redes de comunicação sem fio, sobretudo, WiFi e Bluetooth, os sistemas de automação residencial podem ser controlados e gerenciados por meio de smartphones, tablets, e outros dispositivos (ASADULLAH; RAZA, 2016).
Em outro contexto, mesmo com existindo ferramentas que tornem a automação residencial mais acessível, o investimento realizado para implantar sistemas automatizados em residências ainda é bastante elevado, para a maior parcela da população brasileira. De forma que existe um grande mercado a ser explorado que é levar serviços de automação residencial para essa parte da população, para isso, é necessário a redução dos custos do projeto, sem perdas de funcionalidade e todos os benefícios que a automação residencial prover.
Diante da problemática descrita, nesse trabalho será apresentado um estudo de caso que consiste no levantamento de requisitos e diretivas para o desenvolvimento de um sistema de automação residencial sem fio, de baixo custo e baseado em Internet das coisas. De forma inicial, nesse trabalho será avaliado o caso, em que o sistema utiliza um Módulo ESP32 como servidor centralizado. E apresenta as seguintes funcionalidades, controle automático de temperatura regulando um ar-condicionado e controle automático de luminosidade, fechamento automático de janela em caso de chuva. Uma das propostas deste trabalho é utilizar equipamentos convencionais e torná-los coisas inteligentes sem modificações que possam resultar em perda de garantia. Além disso, o sistema de automação poderá ser controlado via uma interface que é executada em de aplicativo de smartphone, de forma que o usuário pode controlar e/ou monitorar os seus equipamentos automatizados.
1.1 Justificativa
Automação residencial e Internet das Coisas são duas áreas com grande potencial em trazer impactos positivos na vida das pessoas, permitindo um estilo de vida com mais conforto e comodidade(FADHIL; OMAR; SARHAN, 2020) Além disso, o controle de luminosidade proposto nesse trabalho, tem como benefícios, impedir lâmpadas acesas desnecessariamente gerando economia de energia, e a redução da luminosidade para um fluxo luminoso que é confortável para humanos, consome menos energia, e aumenta a vida útil das lâmpadas. Da mesma forma, outra aplicação deste trabalho, o controle de um sistema de climatização estabelece uma otimização na relação entre temperatura e horário do dia, provendo conforto térmico, menor consumo de energia e uma opção mais sustentável ao meio ambiente (MURATORI, 2017)
Apesar de garantir todas essas vantagens aos seus usuários, sistemas de automação residenciais ainda não são de fácil acesso para a maioria da população brasileira, sendo o principal, o custo de aquisição desses sistemas. Em uma pesquisa de mercado realizada pela Associação Brasileira de Automação Residencial (AURESIDE) foi descoberta uma potencial demanda de mais de 1,8 milhões de residências a utilização de sistemas automatizados. O mesmo estudo apontou que a quantidade de residências com equipamentos automatizados não passa de 20% desse número. Em outro estudo feito pela Consultoria GTK indicam que em torno de 60% da população brasileira estaria disposta a adquirir um sistema de automação residencial. Estes resultados demonstram que existe um grande mercado a ser explorado (HABITABILITY, 2021).
Esse trabalho possibilitará a compreensão dos conceitos necessários para o desenvolvimento de um sistema de automação residencial baseado em Internet das Coisas, com foco no baixo custo. Dessa maneira, será útil para que trabalhos futuros sejam desenvolvidos e a demanda por automação residencial de baixo custo por boa parte da população brasileira possa ser suprida.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo Geral
Levantar os requisitos de desenvolvimento de um sistema de automação residencial multifuncional, sem fio e de baixo custo, capaz de controlar e monitorar luminosidade, climatização e abertura/fechamento de janelas. Esse sistema terá um servidor central de automação baseado em ESP32, cada planta automatizada utilizará o protocolo WiFi para comunicação com o servidor central.
1.2.2 Objetivos Específicos
- Compreender as intersecções entre a automação residencial e a Internet das Coisas.
- Identificar as demandas atuais da automação residencial no Brasil e analisar as soluções de baixo custo.
- Analisar a infraestrutura de hardware (sensores e atuadores) e software (arquitetura de firmware) necessária para a implantação de um sistema de automação residencial.
- Avaliar as limitações do ESP32 utilizando rede WiFi em ambiente interno, para validação da viabilidade do servidor central.
2. Revisão Bibliográfica
A primeira etapa da pesquisa desenvolvida nesse trabalho foi a pesquisa sobre os tópicos chaves, a Automação Residencial e a Internet das Coisas, assim como um estudo do estado da arte das aplicações de Automação Residencial e Internet das Coisas.
2.1 Automação Residencial
Segundo Filho (2014), automação é definida como a ciência aplicada cujo objeto de estudo são as metodologias, ferramentas e equipamentos com objetivo de converter o controle de um processo da forma manual para automático. No controle automático de processos, existem duas entidades bastante importantes que compõe esse sistema, são estes os sensores e os atuadores. Sensores são dispositivos que mensuram grandezas físicas e convertem essas grandezas para um sinal elétrico (tensão ou corrente elétrica), de maneira que convertido, este sinal que será processado pela unidade de controle. São os sensores que detectam variações nas grandezas que se deseja controlar. Os atuadores por sua vez, são os dispositivos que convertem sinal elétrico em uma grandeza desejada, de forma a alterar o estado da grandeza controlada para o estado desejado (OGATA, 2004, DORF, 2001).
A automação está presente em diferentes ambientes, como Indústria, controlando máquinas produtivas em operação, Comércio, gerenciando estoque, finanças, etc, e também Residências. Em (CITE), Automação Residencial, também conhecida como Domótica, é definida como a utilização de processos automatizados em casas, apartamentos e escritórios. Em residências, a automação pode estar presente no controle de luminosidade, controle de temperatura, automatização de irrigação de jardim, sistemas de alarme inteligente, entre outras aplicações como ilustrado na Figura 1.
Os benefícios da Automação Residencial para os usuários são diversos, desde segurança ao imóvel com sistema de alarmes inteligentes, redução no consumo de energia com as chamadas, lâmpadas e tomadas inteligentes, aumento do conforto e comodidade, garantindo acessibilidade para idosos e deficientes com equipamentos comandados por voz (TAPPARI, 2023).
Figura 1 – Automação Residencial
Fonte: (Online: FRAUSINO, 2018)
De acordo com Muratori (2017), a Automação Residencial é classificada em três níveis de interação, que dependem da complexidade da automatização e quanto de interferência humana deverá ter para que o sistema funcione adequadamente. O primeiro, Sistemas Autônomos, caracterizado pelo controle de um equipamento específico na residência, e é tratado independentemente em relação a outros dispositivos automatizados na residência. O segundo, Integração de Sistemas, é caracterizado por ter múltiplos subsistemas integrados a um único controlador, isto é, um controlador remoto universal com extensão para diferentes locais. E por fim, o terceiro nível, Residência Inteligente, que caracterizado pelo sistema ser mais que um controlador remoto, e sim um gerenciador de subsistemas.
A Residência inteligente tem se tornado realidade devido a rápida evolução de uma tecnologia chamada Internet das Coisas. Na seção a seguir será definida Internet das Coisas e sua relação com a automação residencial.
2.2 Internet das Coisas
De acordo com Kubota (2023), o termo Internet das Coisas foi inventando em 1999 pelo Professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Kevin Ashton, para definir uma diferente versão da internet, que na época tinha o foco em dados criados por pessoas. Ashton, então vislumbrou a ideia de existir dados na internet criado por objetos, e por objetos podemos entender qualquer coisa, desde um relógio digital, um eletrodoméstico, uma bola de futebol, etc. Seguindo nessa linha, a Internet das coisas pode ser definida como uma rede ampla de objetos inteligentes com capacidade de se organizar, compartilhar informações, dados e recursos entre si, e tomar decisões baseadas no ambiente em que estão instalados (Madakam et al., 2015). Na Figura 2, pode se observar e compreender uma visão geral do que é Internet das Coisas.
Objetos estão presentes em todos os lugares, partindo desse ponto pode-se concluir que as aplicações da Internet das Coisas são as mais variadas nos mais diversos setores. Algumas aplicações da IoT são Cidades Inteligentes, Indústria 4.0, Agricultura Inteligente, Saúde e Bem-estar, e Automação Residencial Inteligente (MAGRANI, 2018).
Figura 2 – Visão geral da Internet das Coisas.
Fonte: (Online: First Tech, 2023)
No contexto de automação residencial, a Internet das Coisas introduziu um novo paradigma, o conceito de Residência Inteligente, caracterizado pela conexão dos eletrodomésticos à internet e pela troca de dados entre eles. Com acesso e armazenamento de dados, esse novo conceito de automação residencial pode em conjunto com técnicas de Machine Learning, implementar algoritmos para que os objetos detectem um padrão comportamento dos moradores de uma casa e consiga tomar as decisões sobre seu uso, semelhante as que os moradores tomariam (FAHDIL, 2020).
2.3 Trabalhos Relacionados
Foram realizadas pesquisas bibliográficas em busca de artigos que tivessem contextos e objetivos em comum com a proposta deste trabalho. A partir disso, pode-se analisar as tecnologias e funcionalidades implementadas nos trabalhos encontrados na literatura.
Santos (2021) propôs um sistema para controle de ar-condicionado baseado em IoT para isso utilizou uma Raspberry Pi 3 com servidor central gerenciando um serviço web para diversos clientes baseados em ESP8266 para comunicação direta com os aparelhos de ar-condicionado. O serviço web poderia ser acessado via smartphone para controlar a temperatura do ambiente.
Em Castro (2019), foi desenvolvido um sistema de automação residencial baseado no conjunto ESP32 e uma FPGA como central de automação. A proposta do sistema de automação residencial era controlar um ventilador, ligar/desligar uma lâmpada e abrir fechar uma cortina. Todas as plantas eram controladas sem fio por meio da rede WiFi. O sistema possuia uma interface de controle baseada em um serviço web que poderia ser acessado via smartphone para controlar as plantas do sistema.
No trabalho de Carneiro (2018) foi desenvolvido um nó sensor baseado em Internet das Coisas para identificar e alertar vários usuários em tempo real se uma janela está aberta ou fechada. O nó sensor desenvolvido foi baseado no ESP8266 e utilizou o protocolo MQTT para comunicação. As informações coletadas pelos nós sensores eram visualizadas em um aplicativo comercial capaz de se comunicar via protocolo MQTT.
3. Metodologia
Este estudo seguiu uma abordagem embasada na revisão sistemática, conforme preconizado por Cauchick-Miguel (2018), visando assegurar a imparcialidade e representatividade da pesquisa. O objetivo foi garantir a precisão dos resultados, reduzindo as influências de opiniões subjetivas, conduzindo uma investigação sem restrições temporais e focalizando fontes acadêmicas destacadas.
Na escolha dos termos-chave, optamos por palavras mais abrangentes, englobando uma variedade de estudos pertinentes ao tema, evitando subdivisões excessivas que pudessem demandar seleções específicas. O número de trabalhos relacionados ao foco foi conforme o esperado, proporcionando dados relevantes para a pesquisa.
Ao selecionar os trabalhos iniciais identificados pelos termos-chave, a ênfase principal foi identificar os mais pertinentes para servir como base neste estudo. Analisamos os propósitos e resultados de cada pesquisa, comparando-os com os objetivos do estudo e extraindo informações úteis.
A escolha dos trabalhos baseou-se em critérios amplos, considerando a área geral do conhecimento, o enfoque predominante, objetivos, resultados e referências citadas. Adicionalmente, ao examinar as referências bibliográficas, identificaram-se outras pesquisas que, embora não tenham sido diretamente incluídas, poderiam ser relevantes para o tema abordado no estudo.
3.1 Servidor de Automação
Em um sistema de automação residencial centralizado, o servidor de automação tem o papel fundamental. O servidor de automação é um controlador com capacidade de atender vários dispositivos, podendo assim, formar um sistema complexo de automação. Grande parte dos servidores de automação são baseados em hardware proprietário, existem opções implementadas utilizando Controladores Lógico Programáveis, e algumas mais simples baseadas em microcontroladores. Nesse trabalho será proposto um servidor de automação baseado no microcontrolador ESP32.
3.2 Equipamentos controlados
A primeira etapa do desenvolvimento do projeto foi o levantamento de quais cargas deveriam ser automatizadas. Foi definido que nesse projeto, que as cargas automatizadas seriam lâmpadas, ar-condicionado e janela motorizada. Assim, para uma melhor compreensão, cada funcionalidade foi dividida em um Subsistema do Sistema de Automação Residencial. Sendo os subsistemas de Climatização, Luminosidade e Controle de Janela.
3.2.1 Subsistema de Climatização
O subsistema de climatização será responsável por garantir o conforto térmico na residência por meio do controle de temperatura. Nesse trabalho será proposto um controle de temperatura utilizando condicionadores de ar, como o de modelo ilustrado na Figura 4. Em geral, esses equipamentos são controlados por um transceptor de sinal infravermelho, que comunica com outro transceptor instalado na evaporadora do equipamento. De forma que, a automação desses equipamentos pode ser feita sem alterar a sua estrutura interna, mantendo a garantia do fabricante.
Como no subsistema de climatização, a grandeza a ser controlada é a temperatura ambiente, assim é necessário medir a temperatura frequentemente para realizar o controle, desta forma foi utilizado um sensor de temperatura. Esse sensor deve se conectar via rede WiFi com o ESP32. Foi realizada uma pesquisa levando em conta custos e tempo gasto na implementação, e foi escolhido o sensor de temperatura Tuya Temp Sensor, ilustrado na Figura 5(a), que já possui embarcado um nó sensor WiFi, de forma que para utilizá-lo basta configurar as configurações de rede do servidor de automação no ESP32. De maneira análoga, para o transceptor de infravermelho que irá repassar os comandos da central de automação para o ar-condicionado, foi escolhido seguindo os mesmos parâmetros, a opção encontrada foi o Tuya Remote Control, ilustrado na Figura 5(b), que já possui um nó sensor WiFi embarcado, e sua implementação é menos custosa.
Figura 3 – Componentes do Subsistema de Climatização. Em (a) Sensor de temperatura com nó sensor WiFi embarcado. Em (b) Transceptor de sinal infravermelho com nó sensor WiFi embarcado
Fonte: (Online: Aliexpress, 2023)
3.2.2 Subsistema de Iluminação
O subsistema de iluminação tem como objetivo monitorar e controlar o nível de luminosidade de um ambiente. Na aplicação proposta nesse trabalho, o valor da luminosidade será configurado pelo usuário. A carga a ser automatizada são exclusivamente lâmpadas LED, conforme o modelo ilustrado na Figura 6.
Figura 4 – Modelo genérico de lâmpada LED
Fonte: (Online: Amazon, 2023)
Para controlar as lâmpadas é necessário medir a luminosidade e também a presença de pessoas no ambiente. Nesse subsistema será implementado um algoritmo para apagar as luzes de ambientes quando não houver pessoas, e com isso economizar energia elétrica. Outro requisito é que o sensor precisa ser conectado a central de automação utilizando rede WiFi. O sensor encontrado que atende as especificações de projeto é Tuya PIR Sensor, ilustrado na Figura 7(a), que já possui embarcado um nó sensor WiFi, de forma que para utilizá-lo basta configurar as configurações de rede do servidor de automação no ESP32.
O controle de luminosidade de uma lâmpada LED é feito por um dispositivo eletrônico que tem a função de regular a potência entregue a carga. Este dispositivo é comumente chamado de Dimmer, é um circuito eletrônico de estado sólido, baseado em um dispositivo semicondutor chamado TRIAC. O TRIAC pode ser interpretado como um diodo bidirecional com um terceiro terminal, que é uma referência de qual o menor valor de tensão ou ângulo da senoide, o TRIAC irá conduzir, e assim regula a potência entregue a carga. Para o projeto é necessário um Dimmer com comunicação WiFi para conectar com a central de automação. O Dimmer encontrado que atende as especificações de projeto é Tuya Mini Dimmer, ilustrado na Figura 7(b), que já possui embarcado um nó sensor WiFi, de forma que para utilizá-lo basta configurar as configurações de rede do servidor de automação no ESP32. Na Figura 8 pode se observar o esquema de ligação do Dimmer na rede elétrica.
Figura 5 – Componentes do Subsistema de Iluminação
Fonte: (Online: Aliexpress, 2023)
Figura 6 – Esquema de ligação do Dimmer na Rede Elétrica
Fonte: (Online, Aliexpress, 2023)
3.2.3 Subsistema de Controle de Janela
Diferente dos demais subsistemas, no subsistema de controle de janela, a planta precisa ser modificada para se tornar automatizável. Dessa forma é necessário implementar um motor e abrir e fechar a janela. Devido à grande variedade de janelas, e suas diversas formas de abrir e fechar, surge a necessidade de delimitar o problema a um tipo de janela, o tipo escolhido foi a janela deslizante, conforme ilustrado na Figura 9(a). O movimento da janela será realizado por um eixo acoplado a um motor de passo, a escolha do motor de passo se deve a precisão de posicionamento, controle personalizado, e fácil integração com sensores. O modelo escolhido está ilustrado na Figura 9(b). Na Tabela 1 estão descritas algumas características do motor.
Figura 7 – Componentes da janela motorizada. Em (a) modelo de janela deslizante. Em (b) modelo de motor de passo.
Fonte: Autoria Própria
Tabela 1. Características do motor escolhido
| Característica | Valor |
| Tensão de alimentação | 12 V |
| Corrente por fase | 0,4 A |
| Torque máximo | 2,8 kgf.cm |
| Força máxima | 28 N |
| Dimensões | 42,3 x 42,3x 33,5 mm |
| Peso | 0,25 kg |
Fonte: Autoria Própria
No subsistema de controle de janela, é necessário um sensor que detecte a presença de chuva, além disso esse sensor deve se conectar via rede WiFi com o ESP32. Foi realizada uma pesquisa levando em conta custos e tempo gasto na implementação, e foi escolhido o sensor de vazamento de água Tuya Water Leak Detector, ilustrado na Figura 10(a), que já possui embarcado um nó sensor WiFi, de forma que para utilizá-lo basta configurar as configurações de rede do servidor de automação no ESP32.
O atuador do subsistema de controle de janela é o próprio motor, que faz necessário um driver, e além disso é preciso que esse driver se conecte a rede WiFi. No levamento de componentes realizado, teve se a conclusão de que a solução mais viável em custo e tempo de implementação seria desenvolver um driver utilizando um módulo de Ponte H para o ESP8266, ilustrado na Figura 10(b). Assim será necessário desenvolver o código para comunicação do ESP8266 com o ESP32 do servidor central do sistema.
Figura 8 – Componentes do Subsistema de Controle de Janela. Em (a) Detector de Chuva. Em (b) Driver de Motor com Ponte H e ESP8266 para comunicação WiFi
Fonte: Online (Aliexpress, 2023)
3.3 Plataforma Arduino IDE
A programação do firmware da central de automação implementada no ESP32 foi desenvolvida no ambiente de desenvolvimento integrado da plataforma Arduino, utilizando a linguagem Arduino, baseada em C/C++. O ambiente de desenvolvimento integrado do Arduino está ilustrado na Figura 11. Arduino é uma plataforma para hardware e software de código aberto e de fácil utilização com objetivo de minimizar custo e tempo na prototipagem de alguma ideia. Algumas vantagens dessa plataforma, não precisar de um hardware gravador de código, isso feito diretamente do computador para o microcontrolador, suportar diferentes hardware, inclusive os que não são da marca Arduino, como o caso do ESP32, forte comunidade de código aberto, provendo diversas bibliotecas testadas e de domínio público para os mais variados sensores e outros hardwares.
Figura 9 – Ambiente de Desenvolvimento do Arduino
Fonte: Online (Arduino, 2023)
O FreeRTOS é um kernel de sistema operacional de tempo real de código aberto, amplamente utilizado pela comunidade desenvolvedores de software para microcontroladores. Sua finalidade é permitir a programação de tarefas que serão executadas de forma paralela por um processador ou dois processadores, como é o caso do ESP32. Nesse trabalho será utilizado o FreeRTOS para garantir individualmente o funcionamento de cada subsistema.
3.4 Interface de controle
Para o desenvolvimento da interface de controle, foi idealizado um aplicativo para smartphones que permite aos usuários interagir com os dispositivos e sistemas de automação residencial. O aplicativo foi projetado para ser intuitivo e fácil de usar, com uma interface amigável.
4. Resultados
4.1 Implementação
Nessa seção serão discutidos os resultados obtidos com a implementação da parte de software do projeto. Na Figura 12 está ilustrada a arquitetura do servidor de automação residencial centralizado desenvolvida para esse trabalho. Com base nessa arquitetura definida, foram tomadas as primeiras decisões para o desenvolvimento de firmware.
Como pode se observar na Figura 12, o servidor de automação troca mensagens com sete entidades, os sensores, os atuadores e o usuário via aplicativo de smartphone. Para garantir que não ocorra atraso entre as mensagens, a solução foi implementar o firmware seguindo uma arquitetura de sistema operacional de tempo real, o sistema escolhido foi o FreeRTOS.
Dessa maneira, as tarefas que serão executadas paralelamente são um Servidor TCP para garantir comunicação sem perdas de informação entre servidor e sensores e atuadores. E uma tarefa referente a cada subsistema do projeto.
Figura 10 – Arquitetura da solução implementada
Fonte: Autoria própria
4.1.1 Servidor TCP/IP
Para utilizar as funções de conectividade WiFi do ESP32 foi utilizado a biblioteca WiFi.h da plataforma Arduino. Com esta biblioteca é possível configurar uma rede local do servidor central e conectar todos os dispositivos (sensores e atuadores) nessa rede. Além disso, pode se criar um servidor com conexões do tipo TCP/IP.
Na solução foi implementado um servidor TCP/IP com uma tarefa do sistema operacional que recebe mensagens de todos dos dispositivos do sistema, para gerenciar as mensagens, foram criadas duas filas de prioridade, em que quando uma mensagem é recebida, esta é inserida na fila no índice i, depois de ser tratada a mensagem é repassada para tarefa responsável pelo subsistema que originou a mensagem, a resposta é inserida em outra fila responsável por enviar as mensagens, e a garantia que a uma mensagem recebida será respondida ao destinatário correto é a posição que esta mensagem é inserida na fila.
4.1.2 Subsistema de Climatização
A tarefa que controla a climatização do ambiente pode ser entendida visualizando a Figura 13. Inicialmente é necessário que o usuário configure no aplicativo a temperatura que deseja para o ambiente, desta forma o servidor de automação irá fazer requisições da temperatura medida pelo sensor, e avaliar se é necessário atuar aumentando ou diminuindo a potência do ar-condicionado. O código dessa implementação pode ser encontrado nos anexos do trabalho.
Figura 11 – Fluxograma da execução da tarefa responsável pelo subsistema de climatização
Fonte: Autoria própria
4.1.3 Subsistema de Iluminação
A tarefa que controla a iluminação do ambiente executa duas rotinas, uma responsável pelo gerenciamento de lâmpadas acesas em ambientes sem pessoas, para obtenção de eficiência energética, que pode ser compreendida observando a Figura 14.
Figura 12 – Fluxograma da solução para ligar/desligar lâmpadas de acordo com a resposta do sensor de presença
Fonte: Autoria Própria
A outra sub-rotina é responsável pelo controle da luminosidade, em que seu algoritmo pode ser observado na Figura 15. De maneira semelhante ao subsistema de climatização, o usuário deve configurar um setpoint, e o servidor de automação irá fazer requisições da luminosidade medida pelo sensor, e avaliar se é necessário atuar aumentando ou diminuindo a potência da lâmpada. O código dessa implementação pode ser encontrado nos anexos do trabalho.
Figura 13 – Fluxograma da solução implementada para controle da luminosidade do ambiente
Fonte: Autoria Própria
4.1.4 Subsistema de Controle de Janela
A tarefa que controla a janela do ambiente tem um algoritmo mais simples, basicamente fica em modo de escuta aguardando o sensor de temperatura alertar que está chovendo. Existe a opção do usuário fechar as janelas utilizando o aplicativo. A tarefa trata os dois comandos da mesma forma. O algoritmo implementado pode ser visualizado na Figura 16. O código dessa implementação pode ser encontrado nos anexos do trabalho.
Figura 14 – Fluxograma da solução implementada para controle da janela
Fonte: Autoria própria
4.1.4.2 Driver com ESP8266
O driver para motor de passo que torna possível automatizar a janela, diferente dos outros itens do projeto teve o código desenvolvido para comunicação com o servidor central, e não apenas uma configuração para utilizá-lo. A solução foi implementar um segundo servidor que hora é cliente do servidor central, hora é servidor para execução da ação de fechar/abrir a janela.
Essa implementação é mais simples, não faz uso de um sistema operacional de tempo real, a rotina de execução é o servidor ficar em modo de escuta, aguardando um comando de servidor central. O controle do motor é realizado utilizando sinal PWM, nesse caso foim implementado apenas um controlador ON-OFF. São utilizados dois sensores fim de curso para cessar o movimento dos motores, a direção do movimento é determinada um par de sinais digitais.
Na Figura 17 está ilustrado um fluxograma com uma visão geral do algoritmo implementado para o controle do motor de passo. O código da aplicação está nos anexos deste trabalho.
Figura 15 – Fluxograma da solução implementada para acionamento do motor sob comando da central de automação
Fonte: Autoria Própria
4.1.5 Interface de controle
Nesta seção serão apresentadas as interfaces gráficas de um aplicativo para controle e monitoramento de equipamentos automatizados nesse trabalho. A tela inicial pode ser observada na Figura 18(a), por questões segurança, foi decidido que para ter acesso ao controle desses dispositivos é necessário acessar o aplicativo por meio de login de usuário com uma senha.
Na Figura 18(b) pode se observar a página inicial do aplicativo após etapa de login, nessa página pode se configurar um dispositivo, isto é, conectar o dispositivo com a central de automação, além disso configurar um setpoint de temperatura e/ou luminosidade para que a central de automação controle isso. Outra funcionalidade dessa página é ter acesso a página de controle de dispositivos e sair do aplicativo.
Na página de controle de dispositivos, ilustrada na Figura 18 © pode se escolher qual tipo de dispositivo se pode controlar. Subsistema de iluminação, Subsistema de climatização e o Subsistema de controle de janela.
Na Figura 19 (a) pode ser observada a tela de controle de luminosidade, as informações presentes nessa tela são o status da lâmpada, a luminosidade configurada, e pode se configurar a luminosidade por meio de um slide, o valor configurado nessa opção é enviado ao servidor de automação 1 segundo após a definição do valor pelo usuário.
A tela de controle de climatização está ilustrada na Figura 19 (b), nesta página pode se observar a temperatura ambiente, também é possível aumentar e diminuir a temperatura do ambiente por meio desta página.
O controle da janela também pode ser feito por meio do aplicativo, na página de controle de janela, ilustrada na Figura 19 © pode ser observar o status da janela, como também enviar comandos para abrir e fechar.
Figura 16 – Interfaces do aplicativo de controle do sistema de automação residencial. Em (a) tela inicial de login. Em (b) Tela inicial pós login, o usuário pode escolher configurar ou controlar dispositivos. Em (c) tela para escolha de qual planta irá monitorar ou controlar.
Fonte: Autoria Própria
Figura 17 – Outras interfaces do aplicativo. Em (a) Tela de controle de luminosidade. Em (b) Tela de controle de climatização. Em (c) Tela de controle de janela.
Fonte: Autoria Própria
4.2 Estudo de viabilidade
Para verificar a viabilidade do servidor de automação residencial centralizado utilizando ESP32, foram realizados testes de alcance do sinal de Wi-Fi em um ambiente residencial. Para isso, foram utilizados dois módulos ESP32, um deles ficou fixo em um ponto da casa, este dispositivo foi configurado como Access Point. O outro módulo ESP32, conectado à rede criada pelo primeiro, foi posto em vários locais da residência e foi medida a distância entre os pontos, assim como a potência do sinal recebido. De acordo com informações do datasheet, a potência do sinal transmitido é de 12 dBm e sensibilidade de -97 dBm. A intensidade do sinal WiFi foi analisada utilizando uma função presente na biblioteca WiFi.h. O valor do RSSI foi enviado via comunicação serial para um computador, e foi feita a aquisição e armazenamento destes valores que a posteriori, foram plotados utilizando um script em Python. Os resultados obtidos podem ser observados na Figura 20.
Figura 18. Variação da intensidade de sinal WiFi em ambiente residencial
Fonte: Autoria Própria
Com base nos resultados, é possível otimizar a configuração, a posição do servidor central, tendo em vista a posição fixa das plantas controladas, e com isso pode se considerar estratégias para melhorar a cobertura WiFi, como a adição de repetidores ou a seleção de canais menos congestionados. Essa avaliação é importante para garantir que a automação residencial e outros sistemas baseados em ESP32 funcionem de maneira confiável e atendam às necessidades dos usuários em ambientes internos.
4.2.1 Custos
Durante a etapa de escolha de componentes, um fator determinante para a escolha dos dispositivos utilizados foi o menor preço possível para garantir uma funcionalidade específica. Todos os itens listados abaixo tiveram o preço de referência retirados do site Aliexpress no dia 31/10/2023. Os preços podem ser observados na Tabela 2, com destaque ao custo total dos componentes por R$ 127,00.
Tabela 2. Custos dos dispositivos
| Item | Função | Preço |
| ESP32 | Microcontrolador | R$ 10,00 |
| Tuya PIR Sensor WiFi | Sensor de presença e luminosidade WiFi | R$ 35,00 |
| Tuya Dimmer 2CH WiFi | Dimmer AC WiFi | R$ 30,00 |
| Tuya Temp Sensor WiFi | Sensor de temperatura e umidade WiFi | R$ 5,00 |
| Tuya Remote Control WiFi | Emissor de sinal infravermelho WiFi | R$ 12,00 |
| Tuya Water Leak Sensor Wifi | Sensor de chuva WiFi | R$ 10,00 |
| ESP8266 + Shield L293D | Driver de motor de passo WiFi | R$ 25,00 |
| Total | R$ 127,00 | |
Fonte: Autoria Própria
4.2.2 Possível cenário de aplicação
Para avaliar o uso do sistema de automação residencial proposto nesse trabalho, foi realizada uma verificação de viabilidade num cenário uma residência inteligente. Foi feita a análise em um apartamento de 60 m², nesse contexto seriam utilizadas cinco unidades do subsistema de controle de iluminação, quatro unidade do subsistema de controle de janela e uma unidade do subsistema de climatização. O cenário avaliado está ilustrado na Figura 21.
Figura 19 – Possível cenário de aplicação do sistema de automação residencial
Fonte: Adaptado de Online: (Época Negócios)
O sistema analisado pode ser considerado uma aplicação avançada de automação residencial, com dez plantas sendo controladas e monitoras pela central de automação. Essa aplicação utilizando a central de automação e os subsistemas propostos nesse trabalho custaria apenas R$ 542,00.
As soluções para problemas de controle automático de climatização, luminosidade e janela apresentadas nesse trabalho podem contribuir de forma significativa para melhoria de qualidade de vida de pessoas, trazendo conforto, comodidade e bem-estar. O principal objetivo desse trabalho era apresentar uma proposta de baixo custo para um sistema de automação residencial baseado em IoT, e diante do exposto nesse trabalho pode-se afirmar que foram descritas ferramentas para o desenvolvimento de um produto que pode ser inserido nas residências da população que demandam por essas tecnologias, mas não podem arcar com os custos dos sistemas comerciais atuais.
Sobre possíveis melhorias a se fazer, no que se refere a Hardware, na Figura 12 é possível observar que o servidor se comunica com até sete entidades diferentes simultaneamente. Essa demanda para um sistema baseado em microcontrolador pode ser um dos gargalos, principalmente devido à baixa quantidade de memória volátil disponível nos microcontroladores. Uma das vantagens do ESP32 é que sua memória RAM é relativamente maior que os demais microcontroladores populares. Avaliar outras opções mais robustas e que não aumentem significativamente o orçamento do projeto pode ser uma boa abordagem para uma melhoria futura.
Outro ponto a salientar, são as melhorias de software do sistema, um norte é tornar o sistema personalizável, permitindo que o usuário adicione novos dispositivos nem a necessidade de uma atualização de firmware do sistema de automação. Pode se propor também melhoria quanto a coleta de dados para implementação de aprendizado de máquina no sistema de automação com objetivo de tornar a aplicação mais “inteligente”.
O presente trabalho conseguiu cumprir o objetivo apresentado, ao abordar por completo os principais componentes que podem ser implementados em uma residência. Além disso, traz um avanço para que se tenha visualmente os aparelhos, a estrutura e um exemplo de aplicação dos mesmos em um apartamento.
Tal experimento corrobora a ideia de que a automação é um processo possível e que pode ser realizado com baixo custo, desde que os componentes sejam bem escolhidos.
5. Considerações Finais
Esse trabalho foi realizado com o objetivo apresentar uma proposta de um sistema de automação residencial sem fio de baixo custo aplicando conceitos de Internet das Coisas, implementando controle automático de luminosidade, climatização e janela. O sistema proposto foi baseado no microcontrolador ESP32, bastante utilizado pela comunidade desenvolvedora de aplicações IoT, e em testes realizados mostrou-se capaz de atender os requisitos especificados nesse projeto.
Foi exposto nesse trabalho uma solução viável, funcional e com custo total de componentes de RS 127,00, a solução apresentou enorme potencial de se tornar um produto futuramente para atender a demanda de automação residencial por parte da população emergente do Brasil.
Com a realização deste trabalho podemos citar alguns tópicos para trabalhos futuros como análise das limitações de hardware de um ESP32 e apresentar diretivas de otimizações de processamento com pouco recurso. Avaliar o uso de ESP32 em um cenário de automação complexos, para identificar limitações quanto a conectividade, atraso de latência, apesentar diretrizes de um sistema de automação residencial escalável baseado em ESP32, e ainda estudos sobre melhoria quanto a segurança da informação nesses sistemas.
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