SISTEMA SUPERVISORIO UTILIZANDO REALIDADE VIRTUAL E
AUMENTADA
Kenedy Lopes Nogueira, Keila F. Chagas Nogueira, Edgard Lamounier, Alexandre Cardoso
Universidade Federal de Uberlândia , Faculdade de Engenharia eletrica, Uberlândia – Minas Gerais,
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Resumo – A proposta desse artigo é desenvolver um
Sistema Supervisório que funciona no local onde os
dados são coletados. Para tanto será utilizado um
sistema de Rádio Freqüência (RF) para monitorar
sensores de temperatura de um forno que produz
carvão vegetal. Para exibir os valores encontrados
pelos sensores, além da forma convencional,
também é proposto o uso de Realidade Aumentada,
que será uma forma inovadora de visualização do
tal sistema. Será possível monitorar sensores de
temperatura através da porta paralela do
computador. Para a visualização dos valores das
temperaturas encontradas, é proposto um aplicativo
desenvolvido com a ferramenta FLARToolKit.
Palavras-Chave – Automação Industrial, Realidade
Aumentada, ARToolKit, Sistema Supervisório.
SUPERVISORY SISTEM USING
AUGMENTED REALITY
Abstract - The purpose of this article is to develop a
Supervisory System using the computer parallel
port to monitor the temperature sensors of a
furnace that produces charcoal. To view the values
read by the sensors, in addition to the conventional
way, is used Augmented Reality technology, which
will be an innovative way of viewing this system. To
view the values of temperatures encountered, it will
be used an application developed with
FLARToolKit.
1
Keywords – Industrial Automation, Augmented
Reality, FLARToolKit, Supervisory System.
I.
INTRODUÇÃO
A proposta deste trabalho é tornar a forma de
visualização das informações apresentadas por
Sistemas Supervisórios1 atuais mais atraente, usando
para isso, técnicas de Realidade Aumentada.
1-
Os sistemas supervisórios permitem que sejam
monitoradas e rastreadas informações de um
processo produtivo ou instalação física.
Como vantagem desta implementação, pode-se citar
que o operador não terá a necessidade de estar diante da
tela do computador para ter acesso às informações sobre
temperatura recebidas pelo sistema, basta que esteja de
posse dos óculos de Realidade Aumentada. Ao olhar para
o forno em direção aos marcadores situados
estrategicamente na mesma posição dos sensores, ele
poderá visualizar os valores das temperaturas em tempo
real. Além da contribuição tecnológica este artigo aborda
também o uso dos Sistemas Supervisórios remotos usando
RA como forma de diminuir as perdas durante o processo
de produção de carvão vegetal, diminuindo assim o
impacto ambiental.
II.
MOTIVAÇÃO
As técnicas de visão computacional e Realidade
Aumentada têm ampla possibilidade de utilização em
diversos setores da sociedade: Marketing, Medicina,
Pedagogia, Educação, Treinamento, Indústria, Pesquisa
Acadêmica, Entretenimento, Projetos de Engenharia,
Teleconferência e Tele-Imersão, Movimentação de Robôs,
Preservação Histórica, etc.
A grande contribuição deste é a utilização de Realidade
Aumentada para proporcionar ao usuário uma maior
imersão onde combinando as cenas virtuais e ambientes
reais em um ambiente único, possibilitando agilizar a
tomada de decisão em ambientes insalubres.
III.
FUNDAMENTOS TECNOLÓGICOS
1)
C++ Builder - O ambiente de desenvolvimento
integrado (IDE) CodeGear™ C++ Builder® 2009 será
utilizado para escrita do programa que receberá e
processará as informações dos sensores de temperatura.
Este ambiente de desenvolvimento possui desempenho e
confiabilidade.
2)
VRML - Ferramenta usada para criar o
ambientes virtuais, que permite que se apresentem objetos
e mundos tridimensionais através da World Wide Web.[1]
3)
FLARToolkit - É um conjunto de classes
desenvolvidas em AS3 (ActionScript 3.0), que juntamente
com o Papervision3D possibilita o desenvolvimento de
aplicações de Realidade Aumentada. Para executar
aplicações utilizando o FLARToolkit o cliente deve
instalar no navegador o Flash Player versão 9 ou
superior, e permitir o acesso do plugin à webcam.
Providencia técnicas de Visão Computacional para
calcular a posição e orientação de uma câmara em
relação a marcas (em cartões), para que objetos virtuais
em 3D possam ser sobrepostos (decalcados)
precisamente através das marcas.
É uma biblioteca que usa técnicas de visão
computacional para calcular o ponto de vista real da
câmera em relação a um marcador no mundo real. Há
vários passos, conforme mostra as figuras a seguir.
Primeiro a imagem real de vídeo é transformada em
imagem binária. Esta imagem é depois analisada, de
forma a encontrar regiões quadradas. O Sistema
encontra todos os quadrados na imagem binária, muitos
dos quais ainda não são marcas de treino. Para cada
quadrado, o padrão dentro do quadrado é capturado e
comparado novamente com padrões pré-treinados
(figura 1) .
4)
LM35 - O sensor LM35 é um sensor de precisão,
fabricado pela National Semiconductor, que apresenta uma
saída de tensão linear relativa à temperatura em que ele se
encontrar no momento em que for alimentado por uma
tensão de 4-20Vdc e GND, tendo em sua saída um sinal de
10mV para cada Grau Celsius de temperatura, sendo
assim, apresenta uma boa vantagem com relação aos
demais sensores de temperatura calibrados em “KELVIN”,
não necessitando nenhuma subtração de variáveis para que
se obtenha uma escala de temperatura em Graus Celsius.
O LM35 não necessita de qualquer calibração externa
ou “trimming” para fornecer com exatidão, valores
temperatura com variações de ¼ºC ou até mesmo ¾ºC
dentro da faixa de temperatura de –55ºC à 150ºC. Este
sensor tem saída com baixa impedância, tensão linear e
calibração inerente precisa, fazendo com que o
interfaceamento de leitura seja especificamente simples,
barateando todo o sistema em função disto.
Este sensor poderá ser alimentado com alimentação
simples ou simétrica, dependendo do que se desejar como
sinal de saída, mas independentemente disso, a saída
continuará sendo de 10mV/ºC. Ele drena apenas 60μA
para estas alimentações, sendo assim seu autoaquecimento é de aproximadamente 0.1ºC ao ar livre.
O sensor LM35 é apresentado com vários tipos de
encapsulamentos, sendo o mais comum o TO-92, que mais
se parece com um transistor, e oferece ótima relação custo
benefício, por ser o mais barato dos modelos e propiciar a
mesma precisão dos demais. A grande diversidade de
encapsulamentos se dá devido à alta gama de aplicações
deste integrado. [3]
O sensor pode ser visto na figura 2 a seguir.
Figura 2 – Sensor de temperatura LM35.
Figura 1 – Funcionamento do Toolkit RA.,
5)
Microcontrolador PIC16F877 - Trata-se de um
microcontrolador da família de 8 bits e núcleo de 14 bits
fabricado pela Microchip Technology. Possui memória
flash de programa com 8192 palavras de 14 bits, memória
RAM com 368 bytes e memória EEPROM com 256 bytes.
Sua frequência de operação (clock) vai até 20MHz,
resultando em uma velocidade de processamento de 5
MIPS. Seu conjunto de instruções RISC se compõe de 35
instruções. Pode funcionar com alimentação de 2V a
5,5V. Sua pinagem DIP tem 40 pinos.
Como periféricos ele possui:
• 5 conjuntos de portas de entrada e saída (total de
33 portas);
• Conversor analógico-digital de 10 bits de
resolução e 8 canais de entrada;
• Periférico de comunicação paralela e serial
(USART e MSSP);
• 2 Módulos CCP (Comparação, Captura e PWM);
• 3 Timers (1 de 16 bits e 2 de 8 bits);
• Watchdog timer.[4]
O microcontrolador pode ser visto na figura 3 a seguir.
Figura 3 – Microcontrolador PIC16F877.
6)
Porta Paralela - A porta paralela do
computador é o meio mais fácil para controlar
dispositivos externos, como LEDs, lâmpadas e até
mesmo eletrodomésticos. Atualmente, as impressoras
vendidas no mercado utilizam conexão USB. Com isso,
na maioria dos computadores modernos a porta paralela
está disponível, podendo ser usada para controlar
circuitos externos ao computador. Na verdade, a idéia
por trás da porta paralela é muito simples. Ela é uma
interface de comunicação paralela de 8 bits como visto
na figura 4, e portanto tem-se oito bits disponíveis
como pode-se ver na figura 4. Como cada bit de dados
pode ser transmitido como “0” (desligado) ou como “1”
(ligado), pode-se ligar ou desligar diretamente até oito
dispositivos, como LEDs, lâmpadas e até mesmo
eletrodomésticos.[5]
7) Sistemas Supervisórios - Os sistemas
supervisórios permitem que sejam monitoradas e
rastreadas informações de um processo produtivo ou
instalação física. Tais informações são coletadas através de
equipamentos de aquisição de dados e, em seguida,
manipuladas, analisadas, armazenadas e posteriormente,
apresentadas ao usuário. Estes sistemas também são
chamados de SCADA (Supervisory Control and Data
Aquisition).
Os primeiros sistemas SCADA, basicamente
telemétricos, permitiam informar periodicamente o estado
corrente do processo industrial, monitorando sinais
representativos de medidas e estados de dispositivos,
através de um painel de lâmpadas e indicadores, sem que
houvesse qualquer interface aplicacional com o operador.
Atualmente, os sistemas de automação industrial
utilizam tecnologias de computação e comunicação para
automatizar a monitoração e controle dos processos
industriais, efetuando coleta de dados em ambientes
complexos, eventualmente dispersos geograficamente, e a
respectiva apresentação de modo amigável para o
operador, com recursos gráficos elaborados (interfaces
homem-máquina) e conteúdo multimídia (figura 5),
contudo ainda não exploram as tecnologias imersivas RA
e RV.
Figura 5 - Exemplo de um sistema supervisório
convencional.
IV.
Figura 4 – Circuito do termômetro.
DETALHES DA IMPLEMENTAÇÃO
No forno real as temperaturas são muito elevadas. Tais
temperaturas não poderiam ser alcançadas dentro de um
laboratório de informática e, portanto, seria impossível
testar o funcionamento do Sistema Supervisório, para
resolver este problema foi utilizado um sensor de boa
precisão que trabalha em uma faixa menor de temperatura.
Existem no mercado hoje em dia, diversos tipos de
sensores de temperatura, que vão desde os NTC´s, PTC´s e
diodos até os mais variados tipos de termopares, dentre
outros. Porém, estima-se que talvez nenhum dos
citados anteriormente seja de tão simples manuseio e
exija tão poucos aparatos eletrônicos para que funcione,
quanto o modelo LM35, pois o circuito usual é bastante
simples, necessitando apenas do sensor propriamente
dito, um Microcontrolador PIC16F877 para converter o
sinal analógico para digital e enviá-lo aos displays de 7
segmentos e em seguida ao computador pela porta
paralela. Portanto, nesse projeto foi utilizado o sensor
LM35 como sensor de temperatura atuando de modo
simples e objetivo, enviando um sinal analógico que
será convertido para digital e logo depois enviará aos
displays de 7 segmentos e ao computador pela porta
paralela, como pode ser visto em parte na figura 6.
uma temperatura através do sensor LM35 e exibi-la na tela
do protótipo do supervisório de forma local.
Figura 8 - Esquema de captura de temperatura pela porta
paralela [5].
A figura 9 abaixo ilustra o esquema de funcionamento do
sistema. Onde, pode-se observar o forno sendo monitorado
em tempo real por sensores de temperatura, estes dados
são transmitidos via RF até o computador principal onde a
planta convencional é alimentada, ao mesmo tempo
transmite os dados para planta em Realidade Aumentada
móvel .
Figura 6 – Circuito do termômetro.
Para construir o protótipo em um primeiro momento
foi necessário desenvolver um termômetro para ser
usado nos testes do sistema. No forno real as
temperaturas são muito elevadas. Para tal construiu-se
um protótipo de termômetro digital controlado por
computador. O próprio Datasheet do sensor LM35
sugere a montagem de um sensor como mostra a figura
7.
Figura 7 - Esquema de montagem lm35 [7].
O diagrama a seguir (figura 8) esquematiza os
módulos necessários para que o computador possa “ler”
Figura 9 – Esquema de funcionamento do sistema.
Em um segundo momento, foi desenvolvida uma
interface para o Sistema Supervisório utilizando o
ambiente
de
desenvolvimento
integrado
(IDE)
CodeGear™ C++ Builder® 2009. Nesta interface será
utilizado o sistema de abas, onde cada uma delas
apresentará uma forma diferente de visualização das
temperaturas.
Na primeira aba, como pode ser visto na figura 7, podese visualizar o forno lateralmente. As temperaturas são
apresentadas em destaque posicionadas na direção dos
sensores. As cores verde e vermelho são usadas para
destacar se a temperatura está normal ou acima do normal.
Esses valores são atualizados em tempo real. Quando as
temperaturas ultrapassam um limite pré-estabelecido, os
respectivos resfriadores são ligados. Isso pode ser visto na
parte de baixo do sistema. Os estados de operação ON e
OFF dos resfriadores também são destacados nas cores
verde e vermelho.
Na segunda aba, como pode ser visto na figura 5, podese visualizar o forno de maneira tridimensional. Ele dá um
giro de 360º em torno de um eixo imaginário. Dessa forma
o operador tem noção de todas as dimensões do forno.
Assim como na primeira aba, as temperaturas também
são mostradas em tempo real e nas cores verde ou
vermelho, de acordo com seu nível.
Na terceira aba, existe um gráfico também
atualizado em tempo real. Neste gráfico é mostrada a
evolução das temperaturas em função do tempo. A
atualização se dá a cada 1 milissegundo para uma
maior precisão. Isto poderá ser visto nas figures 10, 11,
e 12 a seguir.
Figura 13 – Gráfico com a evolução da temperatura.
Já no topo do Sistema Supervisório, encontra-se um
botão onde o operador pode habilitar a Realidade
Aumentada, como pode ser visto na figura 14.
Figura 11 – Planta do forno de carvão vegetal.
Figura 14 – Botão que habilita a Realidade Aumentada.
Figura 12 – Modelo tridimensional do forno.
Ao clicar nesse botão, basta que se coloquem os óculos
de Realidade Aumentada para se ter uma total imersão em
um mundo virtual. Desse modo, ao olhar para o forno em
direção aos marcadores situados estrategicamente na
mesma posição dos sensores, ele poderá visualizar os
valores das temperaturas em tempo real.
Isso se dá da seguinte forma: um marcador, como o da
figura 1, foi previamente associado ao objeto virtual que,
neste caso, é o valor da temperatura encontrada, em forma
textual. Foi utilizado o ARToolkit combinando as cenas
virtuais geradas pelo computador com o mundo real
observado pelo usuário através da câmera situada na parte
frontal dos óculos, possibilitando a adição de informações
a este mundo. A câmera captura a imagem, localiza o
marcador, o computador busca o objeto virtual (valor da
temperatura) referente ao marcador daquele sensor, e
insere conforme programado. Esses valores inseridos
virtualmente, são as temperaturas coletadas pelo sensor
LM35. Eles são atualizados em tempo real.
Na imagens a seguir (Figuras 15 e 16), capturadas
à partir de um óculos de Realidade Aumentada, podem
ser vistos o marcador, e logo em seguida, o valor
virtual da temperatura projetado sobre ele.
evolui com o tempo e em função da temperatura e através
da Realidade Aumentada, onde basta posicionarmos a
webcam ou um óculos de Realidade Aumentada para o
marcador que os valores são exibidos em tempo real.
TRABALHOS FUTUROS
Como trabalho futuro pretende-se adaptar o sistema para
interface de comunicação USB. Inclusão de alarmes
sonoros, além dos alarmes visuais já existentes e
implementar a opção de salvar o histórico das
temperaturas em um banco de dados.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Cortona 3D.
http://www.cortona3d.com/.
Acedido em 23/04/2011 18:00hs/19:00hs.
Figura 15 - Marcador visto através dos óculos de
Realidade Aumentada
[2] IMPA - Instituto Nacional de Matemática Pura e
Aplicada.
http://w3.impa.br/~lvelho/i3d01/demos/lourena/Introd
ucao.htm.
Acedido em 27/04/2011 15:30hs/16:30hs.
[3] Universidade de Caxias do Sul – Centro de Ciências
Exatas e Tecnológicas – Departamento de Engenharia
Mecânica.
http://www.ucs.br/ccet/demc/vjbrusam/inst/temp51.pd
f.
Acedido em 27/04/2011 16:30hs/17:30hs.
[4] Wikipedia.
http://pt.wikipedia.org/wiki/PIC16F877.
Acedido em 27/04/2011 18:30hs/19:30hs.
Figura 16 - Valor virtual da temperatura, projetado
sobre o marcador
CONCLUSÕES
O circuito que contém o sensor já foi montado em
placa de circuito impresso e os valores das
temperaturas estão sendo mostrados corretamente
através dos displays de 7 segmentos. Podemos perceber
que os valores transmitidos até o Sistema Supervisório
através da porta paralela estão sendo compatíveis com
aqueles mostrados externamente nos tais displays. Isso
nos leva a crer que a leitura e calibragem foi feita de
maneira correta e satisfatória.
Os mesmos valores podem ser vistos através do
Sistema Supervisório de quatro formas diferentes: em
uma planta em 2D do forno, em uma imagem
tridimensional do forno, em forma de um gráfico que
[5] Rogercom – O maior conteúdo brasileiro sobre porta
paralela.
http://www.rogercom.com/.
Acedido em 27/04/2009 19:30hs/20:30hs.
[6] Realidade Aumentada.
http://realidadeaumentada.com.br/home/index.php?opt
ion=com_content&task=view&id=6&Itemid=28
Acedido em 27/04/2011 20:30hs/21:30hs.
[7] DataSheet LM35 national
www.national.com/ds/LM/LM35.pdf
Acedido em 04/05/2011 21:30hs/22:30hs.