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________________________________________________________________________________________
Faculdade de Tecnologia "Dep. Júlio Julinho Marcondes de Moura"
________________________________________________________________________________________
www.centropaulasouza.sp.gov.br
Av. Pres. Vargas, 2331 • José Ribeiro • 17400-000 • Garça • SP • Tel.: (14) 3471-4723
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
JULIANA PEREIRA DE OLIVEIRA
LUCAS SOARES DA SILVA
DOMÓTICA: AUTOMAÇÃO INCLUSIVA E MÉTODOS DE
ECONOMIA E GERAÇÃO DE ENERGIA ALTERNATIVA
Garça
2016
________________________________________________________________________________________
Faculdade de Tecnologia "Dep. Júlio Julinho Marcondes de Moura"
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Av. Pres. Vargas, 2331 • José Ribeiro • 17400-000 • Garça • SP • Tel.: (14) 3471-4723
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
JULIANA PEREIRA DE OLIVEIRA
LUCAS SOARES DA SILVA
DOMÓTICA: AUTOMAÇÃO INCLUSIVA E MÉTODOS DE
ECONOMIA E GERAÇÃO DE ENERGIA ALTERNATIVA
Artigo Científico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça-FATEC, como requisito para
conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica
Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores:
Data da Aprovação: ___/___/___
Prof. Ms. Gustavo Adolfo Mesquita Serva Coraini
FATEC Garça
Prof.
FATEC Garça
Prof.
FATEC Garça
Garça
2016
DOMÓTICA: AUTOMAÇÃO INCLUSIVA E MÉTODOS DE
ECONOMIA E GERAÇÃO DE ENERGIA ALTERNATIVA
Juliana Pereira de Oliveira¹
Lucas Soares da Silva
Prof. Ms. Gustavo Adolfo Mesquita Serva Coraini²
Resumo- O aumento da preocupação mundial em relação às mudanças climáticas,
aquecimento global e a redução dos inúmeros impactos ambientais advindos da obtenção de
energia elétrica pelas usinas geradoras demandam o emprego de diferentes métodos para
produção e redução do desperdício deste recurso. Por outro lado, muitas das atuais tecnologias
desenvolvidas com a finalidade de gerar autonomia e facilitar a vida cotidiana de idosos e
deficientes físico-motores, são inacessíveis e requerem investimentos elevados. O objetivo da
pesquisa é desenvolver um sistema domótico autônomo e remoto via wireless, visando
otimização da acessibilidade em ambientes domiciliares e economia de energia elétrica
mediante métodos de racionalização e geração de energia alternativa. A metodologia utilizada
é o desenvolvimento experimental de um protótipo com a finalidade de aferir a viabilidade do
sistema. O projeto contribui com a sustentabilidade e reflete a relevância social, ambiental e científica da pesquisa.
Palavras-chave: Automação, Wireless, Inclusão, Energia Alternativa, Android.
Abstract- The increase in global concern regarding climate change, global warming and the
reduction of the many environmental impacts resulting from the generation of electricity by
generating plants require the use of different methods and alternative sources for the
production of this resource. On the other hand, many of the current technologies developed
with the purpose of generating autonomy and facilitating the daily life of the elderly and the
physically-disabled are inaccessible and require high investments. The objective of the
research is to develop a remote and autonomous domotic system via wireless, aiming at
optimization of accessibility in home environments and saving of electric energy through
rationalization and alternative energy generation methods. The methodology used is the
experimental development of a prototype in order to assess the feasibility of the system. The project contributes to sustainability and reflects the social, environmental and scientific
relevance of the research.
Keywords: Automation, Wireless, Inclusion, Alternative Energy, Android.
_____________________________ 1 Alunos do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – Fatec-Garça 2 Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça - Fatec
1
1. INTRODUÇÃO
Atualmente com o surgimento de novas tecnologias, a evolução dos meios de
telecomunicações, o avanço e a disseminação dos sistemas computacionais, é comum
encontrar em residências diversos dispositivos de automação independentes como portões
elétricos, irrigadores de jardim, torneiras automáticas e dentre outros equipamentos, de tal
maneira que a utilização desta tecnologia tem se tornado cada vez mais indispensável e
presente na vida das pessoas e vem adquirindo progressivamente mais espaço no mercado.
Domótica é o termo utilizado para se referir à tecnologia que consiste em um sistema de
integrado capaz de controlar e gerenciar através da automação todos os ambientes residenciais
por meio de um só equipamento, visando à aplicação das técnicas da automação para melhoria
do conforto, qualidade de vida de pessoas, segurança, economia de recursos não renováveis e
acessibilidade em residências a fim de cobrir todas as principais necessidades dos usuários e
de maneira a utilizar a tecnologia para facilitar e tornar automáticas tarefas habituais em que
residências convencionais ficariam a cargo dos moradores. (BOLZANI, 2004)
De acordo com a Organização das Nações Unidas (ONU, 2010): “cerca de 10% da
população mundial possuem algum tipo de deficiência física, sendo que este percentual representa cerca de um bilhão de pessoas em todo mundo.”
Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2010): “dos cerca de
190 milhões de brasileiros, 23,9% da população, cerca de 45 milhões de brasileiros possuem
algum tipo de deficiência física.”
A deficiência motora é o segundo tipo de deficiência que mais
atinge a população, com cerca de 13,26 milhões de pessoas com dificuldade de locomoção, representando 7% da população
brasileira (IBGE, 2010).
A deficiência motora severa foi declarada por 4,43 milhões de
pessoas, das quais 734,4 mil pessoas declararam não conseguir
caminhar ou subir escadas de modo algum (0,4%) e 3,69 milhões de pessoas declararam ter grande dificuldade de
locomoção (1,9%) (IBGE, 2010).
Em 2012 cerca de 810 milhões de pessoas tinham entre 60 anos ou mais, constituindo
mais de 11,5% da população global. Projeta-se que se alcance 1 bilhão de pessoas em menos
de dez anos e que em 2050 este valor alcance 2 bilhões de pessoas (UNFPA, 2012).
Já no Brasil, conforme o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2011): “a
população idosa com mais de 60 anos totaliza 23,5 milhões de pessoas o que corresponde a
12,6% e deve alcançar até o ano de 2050 cerca de 30% da população.”
No entanto, o envelhecimento provoca diversas alterações no corpo, como a perda da
audição, visão e principalmente firmeza do sistema musculoesquelético afetando o equilíbrio,
por este motivo o número de acidentes e quedas que ocorrem é mais frequente em idosos. Por
fim, segundo o Ministério da Saúde (MS, 2013): “70% das quedas entre idosos acontecem
dentro de casa, sendo que 30% destes acidentes causam a morte e pelo menos 40% causam
alguma lesão grave, principalmente no cérebro e medula.”
2
Outro ponto importante é que com a busca progressiva pelo desenvolvimento sustentável
e a revolução energética apontada por organizações como o Greenpeace, que defende que um
mundo com 100% de energias renováveis em 2050 pode ser alcançado, grande parte dos
países desenvolvidos e também o Brasil estão investindo cada vez mais de forma intensiva em fontes renováveis de energia. Isto inclui a utilização da energia solar que possui diversos
pontos favoráveis e é viável em praticamente todo o território nacional, devido suas
características tropicais e por possuir durante praticamente todo o ano grande potencial de
oferta deste tipo de energia. (PORTO, 2007)
Levando em consideração este cenário, o tema escolhido para o projeto de pesquisa
consiste em aplicar a automação em uma residência como método para melhoria do
aproveitamento energético, economia de energia elétrica e maximização da captação dos raios
solares por um painel fotovoltaico, além de desenvolver uma tecnologia mais acessível
utilizando hardware open-source para proporcionar o aumento do conforto, atender a população de interesse em geral e promover a facilitação da vida cotidiana de pessoas
portadoras de paraplegia, limitações físico-motoras e idosos.
Para a realização deste trabalho, foram utilizados conceitos diretamente atrelados aos
conteúdos abordados no curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, principalmente com
ênfase nas áreas de sistemas microcontrolados, eletrônica digital e automação industrial, com a finalidade de diminuir os gastos com energia elétrica, realizar o controle de equipamentos
eletroeletrônicos por meio de telecomandos e automatizar atividades domésticas.
Neste contexto, os problemas apresentados como a economia de energia elétrica e o
emprego da automação como tecnologia assistiva para promoção da acessibilidade em
residências, refletem a relevância social, ambiental e científica da pesquisa. A metodologia
utilizada é o desenvolvimento experimental de um protótipo usando as ferramentas da
mecatrônica, com o propósito de aferir a viabilidade do sistema proposto.
1.1 OBJETIVOS
1.2 Geral
Desenvolver um sistema domótico para controle autônomo e remoto de diversos
dispositivos via wireless, visando atender à população de interesse, gerar economia de energia
elétrica e possibilitar o aumento da autonomia de pessoas portadoras de paraplegia, limitações
físico-motoras e idosos.
1.3 Específicos
Os objetivos específicos deste artigo são:
Realizar um estudo sobre domótica e posicionadores solares fotovoltaicos;
Analisar os benefícios para os usuários do sistema;
Efetuar um levantamento de dados e informações sobre deficientes físicos e idosos;
Testar e validar o desempenho e os resultados obtidos pelo sistema desenvolvido.
3
2. DESENVOLVIMENTO
2.1 Revisão Bibliográfica
Para o desenvolvimento do projeto foi realizada uma pesquisa bibliográfica dos
conteúdos abordados no decorrer do trabalho em questão, oportunizando desta maneira uma
melhor compreensão da temática proposta.
A domótica é uma tecnologia recente que permite a gestão de todos os recursos
habitacionais, este termo resulta da junção da palavra latina Domus (casa) com Robótica
(controle automatizado de algo). É este último elemento que rentabiliza o sistema, permitindo
o uso de dispositivos para automatizar as rotinas e tarefas de uma casa, facilitando desta
forma a vida diária das pessoas e satisfazendo suas principais necessidades (AUDIO, 2010).
A domótica pode ser definida como um conjunto de tecnologias
que ajudam na gestão e execução de tarefas domésticas
cotidianas. A sua utilização tem por objetivo fornecer maior conforto, comodidade, segurança, além de proporcionar menor
e mais racional consumo energético (BOLZANI, 2014).
Os sistemas domótico geralmente agregam diversos conceitos multidisciplinares de áreas
como Arquitetura, Engenharia, Ciência da Computação, Medicina, Sociologia e Psicologia a
fim de estudar todas as necessidades do usuário frente às possibilidades oferecidas pelo
mundo digital e suas interações com a residência automatizada (BOLZANI, 2007).
As residências com ambientes automatizados desenvolvidos seguindo essa base do
conceito de interatividade também são conhecidas como smart homes (casas inteligentes),
onde a computação invisível é uma ferramenta bastante utilizada na assistência ao usuário.
Essas residenciais vêm mostrando que a integração dos dispositivos aumenta
consideravelmente os benefícios quando comparados com os sistemas isolados e de eficiência limitada (ALDRICH, 2003). Na figura 1 é apresentada a imagem de uma residência demótica.
Figura 1 – Domótica
Fonte: Todeschini (2014)
Um sistema domótico geralmente é composto de uma rede de comunicação que permite
a interconexão de uma série de dispositivos, equipamentos e outros sistemas com o objetivo
de obter informações em tempo real sobre o ambiente residencial e o meio em que ele se
insere, efetuando determinadas ações a fim de supervisioná-lo ou gerenciá-lo por meio de
4
interfaces, normalmente essa comunicação fica restrita a uma certa área de cobertura (DIAS,
2004).
A domótica compreende uma série equipamentos responsáveis por exercer funções
especificas no sistema, podendo ser classificados como:
Sensores: dispositivos sensíveis a estímulos físicos ambientes responsáveis pelo
monitoramento do ambiente com a finalidade de receber informações do processo.
Atuadores: dispositivos que conseguem modificar uma variável que está sendo
controlada. Recebem um sinal proveniente de um controlador e atuam em um processo.
Controladores: dispositivos responsáveis por controlar um processo por meio de
algoritmos, blocos lógicos ou linguagens de programação específicas.
Interfaces: dispositivos que realizam uma conexão física entre dois sistemas ou partes
distintas de um sistema que não podem ser diretamente conectadas entre eles.
Estes equipamentos do sistema são responsáveis por coletar informações e executar uma
determinada tarefa de acordo com instruções pré-programadas (ANGEL e FRAIGI, 1993).
2.1.1 Microcontrolador ATmega328
Os microcontroladores são dispositivos de tamanho reduzido, capazes de realizar o
controle de máquinas e equipamentos eletro-eletrônicos por meio de programas, reúnem em
um único circuito diversos componentes integrados e são compostos por um núcleo
processador, memórias e periféricos (CORTELETTI, 2006).
O microcontrolador ATmega328 pertence à família AVR da Atmel, todos os modelos
desta família compartilham uma arquitetura e conjunto de instruções básicas, ele possui ainda
uma memória do tipo EEPROM, três timers (TCx, dois de 8 bits e um de 16 bits), um
conversor A/D, um comparador analógico e interfaces seriais SPI, TWI e USART
(QUADROS, 2011). Na figura 2 são exibidos os aspectos físicos de um microcontrolador
Atmel ATmega328.
Figura 2 – Aspectos Físicos de um Atmel ATmega328
Fonte: Tacio (2014)
O Atmel ATmega328 é um microcontrolador de arquitetura RISC (Reduced Instruction
Set Computer), que possui 32K de memória, 2 KB de SRAM, 1 KB de memória EEPROM,
28 terminais, três ports de dados (PortB, PortC e PortD), programáveis individualmente como
entrada ou saída permitindo a utilização de 23 I/, podendo ser interligados à demais circuitos
(ALMEIDA, 2010).
5
2.1.2 Posicionador Solar Fotovoltaico
Um posicionador, rastreador ou seguidor solar é um dispositivo mecânico capaz de
orientar a movimentação de painéis solares de forma a os manter perpendiculares em relação
ao sol, seguindo o sol do leste ao amanhecer para o oeste ao pôr do sol, garantindo assim o
aumento significativo da eficiência por parte do sistema, devido à incidência direta constante
da irradiação solar. Existem posicionadores de vários tipos: com um eixo podendo ser polar,
azimute ou horizontal e com dois eixos, um eixo azimutal e outro eixo de inclinação, variando
entre sistema monoposte ou carrossel. O ajuste do painel possibilita melhor aproveitamento
da irradiação solar, aumentando o rendimento energético do sistema (MARTIN, 2015). Na
figura 3 é exibida a imagem de um posicionador fotovoltaico.
A maior parte dos sistemas de seguimento solar ativo é
controlada por circuitos eletrônicos que, utilizando lógica
digital, sensores óticos e motores elétricos, determinam o correto posicionamento do Sol, orientando o conjunto estrutural
e o painel para que se mantenham sempre perpendiculares aos
raios solares. (PAIVA, 2009).
A terra possui movimentos periódicos em que se alteram a irradiação solar e
consequentemente a captação desta energia. Os dois movimentos principais podem ser
expressos em dois eixos de movimentação solar. O movimento de rotação é o giro realizado
ao redor de seu próprio eixo, esse movimento se faz no sentido anti-horário de oeste para leste
e se caracteriza por um ângulo de azimute, a posição do sol varia 360º em um período de 24
horas. Porém, está variação apresenta uma queda para 150º em relação a um ponto fixo e 12 horas de sol diárias. O movimento de translação é realizado ao redor do Sol no eixo norte-sul
e possui um ângulo de altitude, em que ângulo a terra sofre uma variação de 46º durante um
ano, entre a posição mais baixa (inverno) e alta (verão) (MIRANDA, 2014).
Com a grande redução de custos de microprocessadores e
microcontroladores e o aumento da confiabilidade destes, os circuitos de controle de seguimento solar tiveram uma redução
em seus valores, viabilizando sistemas seguidores (PAIVA,
2009).
Figura 3 – Posicionador Solar Fotovoltaico
Fonte: Junitec (2016)
6
3. METODOLOGIA DO PROTÓTIPO
O presente estudo explora e discuti por meio de uma revisão bibliográfica a aplicação de
um sistema domótico como instrumento para otimização da acessibilidade e consumo de
energia elétrica em uma residência. A pesquisa está fundamentada em livros, artigos
científicos publicados na internet e sites relacionados aos temas abordados. Para o
desenvolvimento do artigo foi adotada a metodologia de pesquisa experimental através da
construção de um protótipo, com o objetivo de simular e aferir a viabilidade do sistema desenvolvido.
O protótipo construído é representado por meio de uma maquete com o objetivo de
possibilitar melhor visualização do sistema e facilitar a colocação da fiação. Essa maquete foi
estruturada em madeira MDF, em sua maior parte com espessura de 15 mm e representa sete
cômodos de uma residência: sala, cozinha, banheiro um, banheiro dois, quarto um, quarto dois
e garagem, onde cada cômodo exercerá uma função de controle por meio de um software
desenvolvido para um microcontrolador.
De modo geral o protótipo desenvolvido é composto por uma estrutura mecânica, um
circuito eletroeletrônico de controle e dois softwares, abordados de maneira independente, mas que funcionam de modo integrado, sendo responsáveis pela realização de todas as
operações e automatização das tarefas domésticas.
A estrutura mecânica do protótipo corresponde à um sistema de deslocamento com um
motor implementado para a realização do movimento do varal e cortina automatizados, uma
estrutura desenvolvida em acrílico para o sistema de posicionamento solar fotovoltaico e para
o mecanismo rastreador de movimentos, uma haste metálica utilizada para a realização do
movimento de abertura e fechamento da porta automatizada e uma engrenagem e um sistema
de cremalheira para realização do movimento de abertura e fechamento das janelas.
Os circuitos eletroeletrônicos desenvolvidos são responsáveis pela realização do
interfaceamento entre o sistema de processamento de dados representado pela placa
controladora, os motores e outros dispositivos que compõem o sistema. Os circuitos estão
distribuídos em placas isoladas, sendo estes, a placa controladora, placa de acionamentos,
placa registradora, placa com drivers de ponte H dupla e placa de sensores de posicionamento.
A alimentação da placa controladora foi realizada por meio de uma fonte chaveada de 5 V e
1A e os demais circuitos foram alimentados por uma fonte de 5 V / 12 V e 15 A.
Os softwares desenvolvidos possuem a função de atuar no controle do sistema, o
firmware é responsável pelo processamento das informações e execução das instruções
programadas como o acionamento dos dispositivos e motores, a leitura dos valores dos sensores e a transmissão/recepção de dados pela porta serial. A aplicação mobile desenvolvido
é encarregada de realizar a interface entre o módulo de comunicação e a placa controladora,
sendo responsável pela transmissão e recepção de dados em forma de caracteres ao firmware,
hora atuando como transmissor e enviando as informações e hora atuando como receptor e
recebendo informações.
O sistema atua por meio de um programa e realiza o controle automático e manual sem
fio de todos os dispositivos. O controle proposto se constitui de um sistema complexo de
automação que atua não somente em sistemas autônomos independentes e sistemas de
7
controle sem fio, mas também atua como gerenciador com comunicação em mão dupla, sendo
possível visualizar os estados e valores dos sensores e sistemas que compõem as instalações
automatizadas, por meio de um dispositivo móvel e um aplicativo especifico, desenvolvido
para o gerenciamento do sistema, o diagrama de blocos do sistema é ilustrado na figura 4.
Figura 4 – Diagrama de Blocos e Arquitetura de Comunicação do Sistema
Fonte: Os autores
O sistema desenvolvido é capaz de realizar o controle automático da iluminação interna e
externa da residência, por meio de um sensor de luminosidade LDR (Light Dependent Resistor) com resistência nominal de 10 KΩ, realizando o acionamento do sistema de
iluminação somente quando houver baixa luminosidade no ambiente, promovendo desta
forma a integração entre a iluminação residencial e iluminação ambiente, aumentando assim o
aproveitamento enérgico, visto que há uma maximização da iluminação natural.
Neste sistema a iluminação artificial tem apenas um papel complementar e se mantém
desligada por mais tempo do que os sistemas convencionais, sendo acionada apenas em
eventos específicos e mantendo a iluminação ambiente sempre adequada evitando desta
maneira a ocorrência de acidentes devido a ambientes escuros.
O acionamento automático das duas janelas automatizadas é efetuado por meio de dois motores DC modelo EG-530AD-2D de 12 V, utilizados para a produção do movimento de um
sistema mecânico por meio de dois sensores um de chuva e outro de luminosidade. O sistema
inicialmente realiza a verificação se há a precipitação de chuva, caso não haja a precipitação
da mesma, o sistema realiza a verificação de claridade ambiente e se houver baixa claridade o
motor é acionado e realiza um movimento de rotação no sentido anti-horário, efetuando o
acionamento de um sistema mecânico e consequentemente a abertura das janelas, visando
assim à maximização da iluminação natural e o desperdício desnecessário com iluminação.
Caso haja a detecção de precipitação de chuva o sistema realiza o acionamento do motor
e realiza um movimento de rotação no sentido horário, efetuando o acionamento de um sistema mecânico e consequentemente o fechamento das janelas visando evitar futuros
8
possíveis transtornos relacionados ao esquecimento da janela aberta. Quando o sensor não
conseguir mais identificar a precipitação de chuva, o sistema realiza a inversão do sentido de
rotação do motor e este efetuará novamente a abertura das janelas.
O controle da cortina possui a função de realizar a abertura automática da mesma sempre
que houver baixa intensidade luminosa ou ausência de luz no ambiente e realizar o
fechamento automático da cortina quando houver alta intensidade de luz no ambiente. A
cortina automatizada irá ser acionada por meio de um sensor de luminosidade LDR,
responsável por realizar a captação de luz ambiente. Este sensor após a captação de
luminosidade envia um pulso para placa controladora que ao receber, irá efetuar o
acionamento de um motor DC 12 V modelo EG-530AD-2D no sentido horário, possibilitando
a abertura da cortina, caso contrário, irá efetuar a inversão da polaridade do motor, realizando
o fechamento da cortina.
Além disso, o sistema gerenciará o bombeamento de água de um reservatório por meio do
acionamento de uma bomba elétrica de 5 V por meio de leituras realizadas por um sensor de
umidade do solo. Efetuando o acionamento automático da bomba de água sempre que os
valores de umidade estiverem abaixo do nível ajustado e a desnergização da bomba sempre
que os valores de umidade do solo estiverem acima do nível ajustado. Minimizando desta
forma o risco da ocorrência de acidentes e quedas na hora da irrigação e possibilitando a
diminuição do desperdício desnecessário de água e energia elétrica na realização da tarefa.
O acionamento automático do varal é efetuado por meio de um sensor de chuva, sempre
que há a ocorrência de chuva é efetuado o acionamento do motor elétrico que controla o
avanço do varal automatizado e o transporte das roupas para um local com cobertura evitando desta maneira que as roupas se molhem. Quando não há a ocorrência de chuva é realizada a
inversão do sentido de rotação do motor para realizar o transporte das roupas para o local sem
a cobertura, possibilitando desta forma a secagem natural das roupas do varal e evitando a
preocupação dos moradores em relação às roupas no varal.
Figura 5 – Protótipo Concluído
Fonte: Os autores
9
O sistema desenvolvido também visa solucionar o problema de acesso de cadeirantes a
residências, sendo capaz de gerenciar a abertura automática de uma porta efetuando a
movimentação de uma haste metálica interligada ao eixo de um motor com tensão de 5 V, por
meio da identificação de aproximação de uma pessoa por um sensor de distância ultrassônico (HC-SR04). O fechamento automático da mesma ocorre por meio de temporização, ativada
quando o sistema não conseguir realizar mais a identificação do indivíduo, evitando, desta
forma que o cadeirante necessite virar a cadeira para realizar a abertura de portas e
possibilitando maior agilidade na realização do processo.
O sistema conta também com controles manuais via wireless possíveis por meio de uma
aplicação móvel desenvolvida, com ela é possível gerenciar e realizar o acionamento e
desacionamento dos sistemas de iluminação, irrigação, segurança, piscina, resfriamento,
aquecimento e de posicionamento fotovoltaico, a abertura e fechamento do portão, porta,
cortina, janelas e varal automatizados de acordo com a necessidade do usuário.
3.1.1 Sistema Reflexivo de Posicionamento Solar Fotovoltaico
O sistema desenvolvido é composto basicamente por um posicionador solar fotovoltaico
com espelhos, utilizados para reflexão dos raios solares. Este sistema é divido conceitualmente em duas partes, uma parte é composta pelos circuitos eletroeletrônicos sendo
responsável pelo controle de todo o sistema, incluindo a medição da incidência de irradiação
solar e movimentação da estrutura mecânica e a outra é composta pela estrutura mecânica
contendo três elos, uma junta torcional e uma junta rotativa, responsáveis pelo fornecimento
do suporte ao painel fotovoltaico.
Em relação a parte elétrica, foram utilizados quatro sensores de luminosidade LDRs com
resistência nominal de 10 KΩ e uma placa auxiliar de sensores para aumento da precisão dos
mesmos, com o objetivo de realizar a medição da incidência solar. Também foram utilizados
dois motores 12 V de corrente continua, um modelo FGM6438A com uma flange acoplada a uma engrenagem para fixação entre eixo e o perfil de acrílico, utilizado para a movimentação
do eixo de inclinação e outro motor com modelo RS385-ST 52 com um sistema de redução de
engrenagens plásticas de impressora e barra roscada acoplada ao eixo, responsável pela
movimentação do eixo de rotação azimutal. Os motores utilizados para a movimentação do
posicionador são exibidos na figura 5.
Figura 5 – Motores dos Eixos de Inclinação e Rotação Azimutal
Fonte: Os autores Fonte: Os autores
10
O controle do sistema é efetuado por meio da placa controladora que é responsável pelo
acionamento dos dois motores para movimentação dos eixos de rotação azimutal (eixo
vertical) e do eixo com movimento de inclinação (eixo horizontal), de acordo com a leitura
dos quatro sensores (LDRs), que representam o sistema geográfico norte, sul, leste e oeste com a finalidade de orientar um painel fotovoltaico de 12 V e 5 W de potência para que ele
sempre se mantenha perpendicular em relação aos raios solares.
O sistema é capaz de efetuar a correção constante do azimute por meio do acionamento
do motor responsável pela produção do movimento angular incremental de rotação no sentido
leste-oeste em torno do eixo vertical, tornando sempre assim o azimute do painel fotovoltaico
utilizado igual em relação ao azimute do sol, através dos valores das leituras realizados pelos
sensores de luminosidade (LDRs) localizados á esquerda e a direita do painel solar
fotovoltaico.
O movimento de inclinação é realizado com o acionamento do motor responsável pelo
movimento do eixo horizontal no sentido norte-sul, com ele obtém-se a correção constante da
inclinação do painel fotovoltaico em relação à elevação do sol realizada por meio dos dois
sensores de luminosidade (LDRs) localizados acima e abaixo do painel fotovoltaico, fazendo
com que a inclinação incremental do painel e o movimento de elevação do sol se tornem
ângulos complementares. O sistema reflexivo de posicionamento fotovoltaico é exibido na
figura 6.
Figura 6 – Vista do Posicionador Solar
Fonte: Os Autores
A estrutura mecânica desenvolvida é composta de três em partes, onde cada parte possui
uma função especifica, os materiais utilizados na construção foram em sua maioria acrílico
preto com 3 mm de espessura e espelhado com 2 mm de espessura. O projeto do layout da
estrutura mecânica foi elaborado inicialmente no ambiente de desenvolvimento 3D do software Autodesk Inventor Profissional e posteriormente foi desenvolvido físicamente, este
projeto mecânico é composto basicamente pela estrutura da base de sustentação, estrutura de
suporte do eixo e estrutura do eixo de inclinação.
11
A base de sustentação consiste de uma estrutura orbicular com um orifício central
passante na extremidade superior, onde foi fixada uma barra roscada com 70 mm de
comprimento e 2 mm de espessura com uma porca. Esta estrutura possui por finalidade
fornecer o apoio às demais estruturas e possibilitar a movimentação do eixo de rotação por meio da barra roscada e um servomotor.
A estrutura de suporte consiste de uma base retangular com dois elos de sustentação
fixados hermeticamente ás extremidades por meio um parafuso e um espaçador, esta estrutura
é responsável pelo fornecimento do apoio à estrutura do eixo de inclinação e do painel
fotovoltaico utilizado, ela é composta basicamente por uma flange, quatro elos fixos,
parafusos e porcas.
A estrutura do eixo de inclinação consiste de uma base retangular com dois elos moveis
fixos á extremidades da base por meio de cola de acrílico, esta estrutura é responsável pela fixação do painel fotovoltaico e pelo movimento de elevação do eixo de inclinação, a
estrutura é composta por uma flange, um elo movel, parafusos e porcas.
Os movimentos de rotação azimutal e de inclinação proporcionados pelo sistema
conseguem promover desta forma melhor aproveitamento e maior captação da irradiação solar
pelo painel fotovoltaico, maximizando o rendimento do sistema devido a incidência direta
constante por parte dos raios solares.
O sistema apresenta um ganho energético total ainda maior devido aos quatro espelhos
posicionados em um ângulo de aproximadamente 68° em relação ao posicionador solar,
utilizados para direcionar os raios solares para o painel fotovoltaico através de reflexão. Na figura 7 é exibido os aspectos físicos do posicionador desenvolvido.
Figura 7 – Aspectos Físicos da Estrutura do Posicionador Solar Fotovoltaico
Fonte: Os autores
12
3.1.2 Sistema de Vigilância e Mecanismo Rastreador de Movimentos
O mecanismo rastreador de movimentos desenvolvido é divido conceitualmente em duas partes, a parte elétrica é responsável pelo controle de todo o sistema, incluindo a medição da
distância e determinação do posicionamento em altura e largura, movimentação da estrutura
mecânica com a câmera e acionamento do alarme. Para a determinação do posicionamento
foram utilizados quatro sensores de distância (HC-SR04) e para a movimentação
bidimensional da estrutura mecânica de dois eixos foram utilizados dois motores 5 V de
corrente continua.
A placa controladora é responsável por todo o controle e movimentação do sistema,
sendo capaz de realizar o acionamento angular de dois motores elétricos para a produção do
movimento para uma estrutura mecânica com dois eixos, um eixo com movimento de rotação
nos sentidos esquerda e direita e outro com movimento de inclinação no sentido para acima e para baixo por meio da comparação entre os valores da leitura dos quatro sensores de
distância utilizados para a determinação do posicionamento em altura e largura.
Este mecanismo desenvolvido apresenta um sistema bidimensional e consegue obter a
noção de posicionamento em duas direções, tanto altura como largura possibilitando o
movimento angular de 90 graus tanto para cima quanto para baixo e 90 graus tanto para
direita como para esquerda, totalizando 180 graus em cada eixo, desta forma o sistema
consegue prover informações do posicionamento de pessoas, sendo capaz de efetuar a
correção constante da rotação por meio do acionamento do motor responsável pela produção
do movimento angular incremental no sentido esquerda-direta em torno do eixo vertical, tornando o movimento rotacional da base igual em relação ao movimento do individuo.
O movimento de inclinação é realizado com o acionamento do motor responsável pelo
movimento do eixo horizontal no sentido cima-baixo, com ele obtém-se a correção constante
da inclinação da base da câmera. A câmera instalada no sistema é responsável por realizar a
gravação de imagens. Na figura 8 é exibida o esquema da estrutura do mecanismo rastreador
de movimentos desenvolvido.
Figura 8 – Aspectos Físicos da Estrutura do Mecanismo Rastreador de Movimentos
Fonte: Os autores
13
4. HARDWARE DE CONTROLE
4.1.1 Placa de Acionamento
Este circuito foi utilizado para realizar a isolação elétrica entre a placa controladora e os
dispositivos por meio do acionamento mecânico. Possui baixa corrente de operação e um
circuito de proteção para evitar danos ao microcontrolador. Ele permite o acionamento
independente de até 14 dispositivos com tensão alternada de até 250V ou tensão continua de
até 30V e corrente de até 10A.
O circuito desenvolvido é composto físicamente por quatorze transistores bc549, quatorze resistores, com resistência nominal de 1kΩ, quatorze reles 5 V, quatorze diodos
1n4007, uma placa de fenolite perfurada, bornes conectores e cabos. Dentre os quatorze reles,
seis foram utilizados para realizar o acionamento das lâmpadas e os outros oito foram
utilizados para o acionamento dos demais dispositivos, na figura 6 será exibido imagem da
placa desenvolvida.
Figura 9 – Placa de Acionamento
Fonte: Os autores
O circuito foi utilizado no controle de acionamento de 6 lâmpadas incandescentes de 12
V que representam a iluminação interna da residência, um aquecedor utilizado para
proporcionar o aumento da temperatura e uma bomba de água utilizada no controle de
irrigação com tensões alternada de 110/220v. Um buzzer utilizado como sirene pelo sistema
de segurança e 5 LEDs de alto brilho que representam a iluminação externa da residência com tensão continua de 5 V e um cooler com tensão de 12 V utilizado como sistema de
resfriamento.
14
4.1.2 Placa Controladora
Na placa controladora é implementada a parte logica do sistema, está placa é responsável
por realizar o processamento de um firmware com as instruções pré-programadas e executar todas as funções de controle, incluindo a realização das leituras dos valores dos sensores,
recepção e transmissão os dados pela porta serial e o acionamento dos motores e dispositivos
utilizados, na figura 7 será exibida a imagem da placa desenvolvida.
O circuito desenvolvido é composto fisicamente por um microcontrolador Atmel
ATmega328, responsável pela interface entre os elementos do projeto e as instruções do pré-
programadas, um cristal oscilador externo de 16 MHz para aumentar a precisão do clock do
microcontrolador, um resistor com resistência nominal de 10kΩ, dois capacitores cerâmicos
de 22pF, um socket para microcontrolador, uma placa de fenolite perfurada, bornes
conectores e cabos.
Figura 10 – Placa Controladora
Fonte: Os autores
4.1.3 Placa Registradora
O circuito desenvolvido é composto fisicamente por 4 circuitos integrados 74HC595,
uma placa de fenolite perfurada, bornes conectores e cabos. Cada circuito integrado que
compõe a placa é responsável por controlar de maneira independente até 8 saídas digitais de
uma vez. Esta placa permite estender o controle em até 26 saídas digitais independentes
utilizando-se apenas de 3 portas do microcontrolador por meio de uma ligação serie-paralela.
Figura 11 – Placa de Registradora
Fonte: Os autores
15
4.1.4 Placas com Drivers Ponte H
As duas placas desenvolvidas são responsáveis pela recepção dos dados provenientes da
placa controladora e a realização do tratamento e amplifição dos sinais de entrada possibilitando o fornecimento de até 600mA nos sinais de saída para a alimentação dos
motores de corrente continua. Estas placas estão sendo utilizadas para o controle dos motores
implementados nas janelas, cortina, elevador e varal automatizados.
O circuito desenvolvido é composto físicamente por 4 circuitos integrados L293d, uma
placa de fenolite perfurada, conectores e cabos. Cada circuito integrado utilizado é capaz de
realizar o acionamento, o controle de velocidade e a inversão do sentido de rotação de até dois
motores de maneira independente. A escolha de tais componentes se deu pela redução da
complexidade no acionamento dos diversos motores utilizados e pelo baixo custo apresentado
pelos CI’s, na figura 9 será exibido a imagem da placa desenvolvida.
Figura 12 – Placa com Drivers de Acionamento dos Motores
Fonte: Os autores
4.1.5 Placa de Sensores para Medição de Irradiação Solar
Está placa possui a função de realizar o pull-down, alimentar os 4 sensores LDRs
utilizados para posicionamento do painel e transmitir os valores de luminosidade efetuados
por meio das leituras para a placa controladora. Seu funcionamento é simples e consiste em o
circuito desenvolvido é composto físicamente por 4 resistores com resistência nominal de
1kΩ, uma placa de fenolite perfurada, conectores e cabos.
Figura 13 – Placa de Sensores de Posicionamento
Fonte: Os autores
16
5. PROGRAMAÇÃO E LÓGICA DE FUNCIONAMENTO
5.1.1 Firmware
A ferramenta escolhida para o desenvolvimento do firmware para o microcontrolador
Atmel ATmega328 foi o ambiente integrado de desenvolvimento (IDE) do próprio fabricante.
O software proposto para controle do sistema foi implementado em linguagem de
programação Wiring, uma linguagem especifica para este tipo de microcontrolador baseada
nas linguagens C e C++.
De forma geral o software desenvolvido tem como função principal a leitura, interpretação e execução das instruções de comando por meio de informações recebidas por
sensores e comandos enviados em forma de caracteres pela aplicação móvel utilizada como
interface IHM desenvolvida para dispositivos Android.
Ao ser ligado o sistema o microcontrolador irá realizar o processo de inicialização
efetuando a leitura das configurações programadas e logo após a leitura das configurações
iniciais o microcontrolador irá estabelecer a conexão com o modulo receptor-transmissor pela
porta serial, ficando assim pronto para receber os comandos enviados pelo dispositivo
Android.
Basicamente a rotina de interpretação das instruções desenvolvida possui um algoritmo capaz de identificar os caracteres associados à variável do sistema e realizar a verificação
destes caracteres e atuar no sistema. Os valores de leitura dos sensores e executar os
comandos. O principio de funcionamento da rotina é apresentado no diagrama da figura 14.
Figura 14 – Diagrama da Lógica de Programação
Fonte: Os autores
17
5.1.2 Interface Usuário Controlador – IHM
A aplicação móvel utilizada como de interface IHM, foi desenvolvida no ambiente
integrado MIT App Inventor 2 em linguagem de programação Java, podendo ser executada em qualquer dispositivo android com versão superior a 2.6. A linguagem Java block foi
escolhida pela familiaridade do autor com o ambiente gráfico da plataforma.
A finalidade desta aplicação é servir de interface de usuário para operação do sistema por
meio de telas gráficas. A interface IHM desenvolvida conta com uma tela de menu principal
onde é possível selecionar outras telas como a tela minha residência que apresenta a tela com
o ambiente interno e externo da residência, a tela de sensoriamento onde é exibido os valores
das leituras dos sensores em tempo real e a tela do elevador onde é possível selecionar o andar
desejado, a figura 9 apresenta a tela de menu principal da interface IHM.
Figura 9 – Tela do Menu Principal
Fonte: Os autores
Na tela minha residência que apresenta o ambiente interno e externo é possível realizar o
acionamento a distancia dos dispositivos que compõem as instalações automatizadas da
residência. A comunicação com o microcontrolador é feita por meio de um modulo 4.0 máster/slave com protocolo de comunicação bluetoth. A figura 9 é apresentada a imagem das
da tela dos ambientes Interno e Externo.
Figura 9 – Telas de Ambiente Interno e Externo
Fonte: Os autores
18
6. RESULTADOS
Para comprovar o funcionamento do sistema desenvolvido foram realizados alguns testes
práticos. No primeiro teste realizado, os resultados experimentais apresentados demonstraram que o sistema desenvolvido foi capaz de efetuar de maneira repetitiva e sem problemas o
controle automático e o acionamento manual via wireless dos equipamentos por meio de um
dispositivo Android. De modo geral, o sistema se mostrou prático e de fácil operação, graças
à aplicação móvel desenvolvida que possibilitou uma interface gráfica simples e de fácil
visualização.
Já no segundo teste realizado com o objetivo de comprovar a economia de energia
gerada em uma residência, o sistema se mostrou eficaz em seu propósito, ao permitir a
redução do consumo de energia elétrica relacionada ao gasto com iluminação, uma vez que o
sistema apresenta um o controle da iluminação ambiente, cortina e janelas por meio de um LDR, utilizado com o objetivo de maximizar o aproveitamento da iluminação natural e
permitir o acionamento da iluminação artificial somente quando o ambiente estiver escuro.
No terceiro teste realizado com o objetivo de mensurar o rendimento do sistema reflexivo
de posicionamento fotovoltaico, verificou-se que o sistema conseguiu captar mais energia em
períodos diários mais ensolarados e com temperaturas mais elevadas. Foi possível comprovar
que o sistema móvel realmente possibilitou um aumento na geração de energia em reação ao
sistema fixo.
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste trabalho foi abordado o desenvolvimento de um sistema domótico visando
automatizar algumas atividades domesticas e gerencia-las, de maneira a facilitar a vida
cotidiana dos usuários e principalmente de idosos e deficientes fisico-motores, além da
promoção de econonima de energia e geração de enegia renovavel em uma residência. O
presente estudo apresenta extrema relevância no cenário atual, levando em consideração a
preocupação mundial aos inúmeros impactos ambientais advindos da obtenção de energia elétrica
pelas usinas.
Com isto conclui-se que o sistema quando implantado em uma residência conseguiria
atender os objetivos propostos alinhado economia e conforto, contribuindo também desta
maneira com a sustentabilidade e meio ambiente, além de facilitar a vida dos usuários de maneira geral e oferecer maiores possibilidades práticas as pessoas idosas e deficientes físico-
motores como portadores de paraplégia. Dessa forma, conclui-se que o objetivo proposto pelo
trabalho foi atingindo, já que o sistema desenvolvido possibilita o controle dos equipamentos
de maneira automática e manual via wireless. O custo total estimado do projeto foi de R$
700,00, apresentando um preço mais acessível em relação aos sistemas comerciais que podem
variar de R$ 1000,00 até R$ 250.000,00 para a automação de todos os ambientes residenciais.
Como proposta de melhorias futuras, propõe-se adicionar novas funcionalidades na ao
sistema, tais como, automatizar outras tarefas na residência e utilizar outro protocolo de
comunicação como o Ethernet para permitir maiores distancias no controle. Outro fator importante é o uso de espelhos de outros materiais como o vidro para possibilitar maior
reflexão luminosa e evitar que possíveis imperfeições e ondulações na imagem interfiram na
19
reflexão dos raios solares, além da determinação do tamanho do espelho por meio de cálculos
para proporcionar maior eficiência em reflexão.
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Argentina de Informática (EBAI), Embalse, Córdoba. 1993.
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