Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática
Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
DESENVOLVIMENTO DE UMA CÉLULA BRAILLE DE BAIXO CUSTO USANDO ARDUINO
MAURÍCIO, LIMA, S.
Universidade Federal Rural do Semi-Árido - UFERSA
Av. Francisco Mota, 572, Bairro Costa e Silva, Mossoró - RN
E-mails:[email protected]
LEONARDO, CASILLO A. DANIELLE, CASILLO S. S.
Laboratório de Arquitetura de Computadores e Sistemas Embarcados - LAACOSTE, Universidade Federal
Rural do Semi-Árido- UFERSA
Av. Francisco Mota, 572, Bairro Costa e Silva, Mossoró - RN
E-mails:[email protected], [email protected]
Abstract This paper aims to develop a low-cost solution to assist in alphabetization of visually impaired people through tactile
reading in Braille. The hardware proposed consists of a prototyping platform Arduino Mega 2560, a print head for dot matrix printer
that is the basis for the assembly of the Braille cell and an SD memory card. The text is available on a memory card, the microcontroller receives the data, interprets and sends commands to the Braille cell and, through a preprogramed time, the user reads letter to letter
in high relief that can form words and sentences. The tests performed and the results confirmed the faithful reading of Braille system
proving that the cell prototype Braille helps the visually impaired suitably.
Keywords  Braille Cell, Arduino, Print Head, Memory Card, Low Cost.
Resumo Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma solução de baixo custo para auxiliar na alfabetização de pessoas com deficiência visual através da leitura táctil em Braille. O Hardware proposto é composto por uma plataforma de prototipagem Arduino
Mega 2560, uma cabeça de impressão de impressora matricial que é a base para a montagem da célula Braille e um cartão de memória SD. O texto é disponibilizado em um cartão de memória, o microcontrolador recebe os dados, interpreta e envia os comandos para
a célula Braille e, através de um tempo pré-programado, o usuário faz a leitura letra a letra em alto relevo podendo formar palavras e
frases. Os testes realizados e os resultados obtidos comprovaram a leitura fiel ao sistema Braille comprovando que o protótipo da célula Braille assiste aos deficientes visuais adequadamente.
Palavras-chave  Célula Braille, Arduíno, Cabeça de Impressão, Cartão de Memória, Baixo Custo.
1
conjunto matricial formado por 6 pontos, distribuídos entre duas colunas.
Diferentemente da leitura visual, que capta palavras
inteiras e informações quase que instantaneamente,
podendo o texto ser percorrido com agilidade seguindo uma linha sem esforço, o deficiente visual lê
essencialmente um caractere por vez. De forma geral, um dedo principal, geralmente o indicador, é
utilizado para a leitura. Esse mesmo dedo tem que se
movimentar por cima das “celas” ou células, lendoas uma a uma de forma linear, e não em paralelo,
diferentemente da visão (Saturno, et al. 2013).
Existem diversas pesquisas na área de Interface Homem Computador (IHC) com o objetivo de possibilitar a utilização de equipamentos eletrônicos pela
população em geral. A IHC é uma área da Engenharia/Informática que busca oferecer eficientes meios
de comunicação entre computadores e seres humanos. Para essa comunicação, os projetistas de interfaces procuram explorar os diversos sentidos humanos, com a finalidade de prover uma comunicação
eficaz e prazerosa para os usuários. Em programas
de computadores e aplicativos eletrônicos é comum o
uso de imagens e mensagens sonoras. O problema
Introdução
Na sociedade informatizada em que vivemos,
tecnologias intelectuais tornam-se de forma indiscutível um caminho com diversas possibilidades educacionais e, dentro desta, uma crescente e necessária
utilização de ferramentas no processo educacional de
crianças e adolescentes com deficiências visuais.
Tais ferramentas devem possuir recursos específicos
para auxiliar no aprendizado de pessoas com necessidades especiais, visando à independência.
Os deficientes visuais possuem uma forma assistida
de comunicação escrita, o Braille, um sistema utilizado universalmente na leitura e na escrita por pessoas cegas inventado na França por Louis Braille1,
um jovem cego, no ano de 1825 (Canejo, 2005).
O sistema Braille é uma escrita em relevo, constituído por 63 sinais codificados por pontos, a partir do
1
Louis Braille nasceu em 04 de janeiro 1809/1852, na cidade de
Coupvray, situada a cerca de 45km de Paris. Devido a um acidente
ao brincar na oficina de seu pai, feriu o olho esquerdo, houve hemorragia e o quadro se agravou até ele perder a visão totalmente aos 5
anos de idade.
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desses “paradigmas” de projeto de interfaces é que
estes não consideram em primeira instância os usuários portadores de necessidades especiais (Da Rocha;
Baranauskas, 2003).
Com relação ao alfabeto Braille, existem displays
disponibilizados no mercado que possuem dimensões que comportam desde uma única célula até linhas de 80 células. A maioria comporta entre doze e
vinte células por linha. Esse equipamento é pouco
usado no Brasil, principalmente devido ao seu alto
custo, sendo que os mais simples chegam a custar
cerca de cinco mil dólares (Queiroz, 2014). Além
disso, em um display Braille de vinte células, enquanto um deficiente visual está lendo um caractere,
os outros dezenove estão ociosos, pois não estão sendo lidos com os outros dedos.
É sabido da dificuldade em se obter livros em Braille, principalmente em regiões mais carentes e em
escolas públicas. Assim, o objetivo deste trabalho é
criar uma solução de baixo custo para possibilitar a
leitura em Braille e auxiliar na alfabetização e educação de crianças e adultos com deficiência visual.
Diante do exposto, este trabalho propõe um dispositivo, conhecido como “Célula Braille”, para apresentação em alto relevo de textos em Braille. Este equipamento foi desenvolvido artesanalmente utilizando
uma cabeça de impressão de impressora matricial,
uma plataforma de prototipagem Arduino e um leitor de carão de memória tipo SD2 (Secure Digital).
A Célula Braille projetada visa a inclusão de pessoas
cegas, oferecendo um amplo uso por meio do projeto
e construção de um leitor de baixo custo utilizando
materiais reutilizados.
Desta forma, este trabalho busca fazer com que uma
pessoa com deficiência visual possa praticar a leitura
sem a necessidade de impressões em papel, (redução
de custos) possibilitando uma leitura táctil em que o
usuário poderá identificar letra a letra e assim formar palavras e frases.
tantes de volta ao ambiente por meio do acionamento de atuadores.
Os projetos open sources são aqueles criados para o
domínio público, ou seja, que podem ser modificados
e aprimorados por outras pessoas conforme suas
necessidades, de modo que outros usuários possam
usufruir dessas mudanças em seus próprios projetos
(Ferreira, 2005).
Isto propicia uma variedade de modelos de Arduino,
que se diferenciam com relação a quantidade de
memória SRAM, EEPROM ou Flash disponível,
número de pinos de E/S digitais e analógicos, frequência do processador, consumo energético ou funcionalidades exclusivas (como por exemplo modelos
que contém interfaces de rede ou interface para comunicação com sistemas de computação como dispositivos móveis).
Para este trabalho, foi escolhido o Arduino Mega
2560, visualizado na Figura 1, no qual é portado de
um microcontrolador ATMega2560, fabricado pela
ATMEL, 54 pinos de E/S digitais, 16 entradas analógicas, 4 UARTS (portas seriais de hardware), 256
KB memória Flash, 8 KB SRAM, um oscilador de
cristal de 16 MHz, pinos de alimentação (5 V, 3,3 V
e Terra), porta USB para conexão com o computador
e conector jack para alimentação externa (de 7 à 12
V), além de um conversor A/D de 10 bits para tratamento dos valores provenientes das entradas analógicas. Este modelo contém a quantidade de pinos e
memória suficientes para a implantação do dispositivo proposto.
2 Plataforma Arduino
Figura 1. Arduino Mega 2560
A programação do Arduino é feita por meio de uma
linguagem de programação própria, baseada em
Wiring, que é um sub-conjunto das linguagens C e
C++. Esta linguagem é implementada em um ambiente de desenvolvimento (IDE) próprio, baseado em
Processing, utilizado em sistemas operacionais
Windows, Mac e Linux (Gioppo et al., 2009).
É possível inserir funcionalidades extras conectando-se placas adicionais ao Arduino chamadas Shields, cuja finalidade é expandir sua capacidade. Como exemplo, podem ser utilizadas Shields para prover comunicação Ethernet, Bluetooth, Wi-Fi e controladores para GPS. No entanto, é possível criar e
desenvolver placas de circuito impresso que propiciam estas novas funcionalidades sem a necessidade
de adquirir tais componentes.
Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica livre de baixo custo baseado em hardware e
software livres, flexíveis e fáceis de usar. É destinado a estudantes, projetistas, designers e demais pessoas interessadas em criar projetos ou ambientes
interativos (Banzi, 2011). A prototipagem rápida de
projetos simplifica o processo de criação, testes e
utilização de placas de circuito impresso e reduz
complexidades de programação e eletrônica.
A placa Arduino pode interagir com o ambiente externo recebendo em suas entradas sinais provenientes de sensores, como temperatura, pressão, umidade, dentre outros, processar dados (recebidos) em um
microcontrolador e disponibilizar os valores resul2
SD é o acrônimo de Secure Digital e descreve os dispositivos compatíveis com as normas SD para cartões de memória não volátil.
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Frente a outros modelos de microcontroladores e
microprocessadores, como por exemplo, PIC, 8051,
DSP’s e CLP’s, o Arduino apresenta-se como uma
solução de baixo custo, voltado para aplicações dedicadas que não necessitam de um alto poder de processamento, como é o caso deste projeto, além de ser
um dispositivo que oferece uma facilidade de integração com sensores, atuadores e demais dispositivos mecânicos, analógicos e digitais.
quais o seu uso é necessário. Como citado anteriormente, para apresentação da letra “a” é necessário
que somente o primeiro pino de impressão (c1) seja
ativado, enquanto que a letra “h” necessita que os
pinos c1, c2 e c5 sejam ativados ao mesmo tempo.
Dessa forma, utilizou-se um esquema de linhas contendo determinados caracteres associados às células
de impressão para identificação das letras, como
mostra o Quadro1.
“abcdefghklmnopqruvxyz”
“bfghijlpqrstvw”
“klmnopqrstuvxyz”
“cdfgijmnpqstwxy”
“deghjnoqrtwyz”
“uvwxyz”
3 Metodologia
Com o objetivo de mediar a leitura Braille,
principalmente por pessoas com deficiência visual,
buscou-se desenvolver uma estrutura mecânica que
fosse capaz de formar caracteres em alto relevo, como uma célula Braille, baseando-se na reutilização
de materiais considerados lixo eletrônico.
Tal célula é composta por seis pinos, em relevo, dispostos em duas colunas de três pontos. As letras são
formadas por meio de diferentes combinações destes
pontos. A Figura 2 mostra um exemplo de duas destas combinações: o ponto 1 de forma isolada representa a letra “a”, já os pontos 1, 2 e 5 juntos representam a letra “h” (Canejo, 2005).
//in c1
//in c2
//in c3
//in c4
//in c5
//in c6
Quadro 1. Correspondência entre caracteres e pinos
Seguindo este esquema de decodificação, nota-se que
a letra “a” está presente apenas na linha 1 (//in c1),
assim para esta letra é acionado pino de saída do
Arduino conectado a c1. Já a letra “b” está presente
nas linhas 1 e 2, resultando na ativação dos pinos
correspondentes à c1 e c2.
Cada pino da cabeça de impressão foi associado a
uma porta digital de saída do Arduino, de acordo
com a sequência apresentada no Quadro 2. Cada
porta digital pode receber os valores HIGH (5 V) ou
LOW (0 V).
Pino 1 = c1 porta 31
Pino 2 = c2 porta 33
Pino 3 = c3 porta 35
Pino 4 = c4 porta 37
Pino 5 = c5 porta 39
Pino 6 = c6 porta 41
Figura 2. Exemplo de representação de letras em Braille
A identificação do texto pelo Arduino é realizada
letra a letra. Para cada caractere recebido, o microcontrolador processa a informação e seleciona quais
pinos da célula de impressão deve acionar. O sistema contém 6 pinos de impressão, nomeadas de c1 a
c6, dispostos como ilustra a Figura 3.
Quadro 2. Correspondência entre pinos e portas do Arduino
Quando uma letra é identificada, dependendo de
qual linha esta se encontra, o Arduino ativa a porta
de saída a qual esta ligado o pino referente a esta
linha enviando um sinal de 5 V e desativa as linhas
restantes enviando 0 V.
O funcionamento da célula Braille ocorre da seguinte forma: cada pino da célula funciona com o auxílio
de um dispositivo eletromagnético. Para acionar um
pino, é necessário enviar um valor de tensão para a
bobina, fazendo com que esta gere um campo eletromagnético. Este campo eletromagnético atrai uma
pequena haste de metal, e esta haste de metal por
sua vez, eleva um pino da célula Braille. A Figura 4
apresenta este dispositivo.
Figura 3. Células de impressão
De forma análoga a um decodificador de um display
de 7 segmentos, cada célula é associada às letras das
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Figura 6. Bobina que aciona pino da célula Braille
Uma característica deste equipamento eletromecânico é que o seu funcionamento necessita de uma corrente elétrica elevada se comparada ao Arduino.
Assim este, sozinho, não é capaz de ativar as bobinas, pois suas portas possuem máximo de 40 mA,
sendo necessário mais que 1000 mA. Desse modo,
foi necessário utilizar um circuito eletrônico auxiliar
que é ativado por meio do sinal elétrico do Arduino.
Como apresentado na Figura 7, este circuito elétrico
é formado por 6 transistores TIP 41 e 6 resistores de
100 Ohm, onde cada par transistor / resistor é responsável por acionar um único pino.
Figura 4. Célula Braille
Diante do alto custo em se adquirir uma célula
Braille, esta foi produzida de forma artesanal a partir de outro hardware, neste caso uma cabeça de impressão de impressora matricial. Sua estrutura interna é composta por 9 (nove) bobinas magnéticas onde, destas, 6 (seis) foram utilizadas.
Para a confecção dos pinos e da guia para os pinos,
foi utilizado um material plástico denominado tecnil, visto que o mesmo possui alta durabilidade e
resistência. A Figura 5 esboça uma visão lateral da
célula Braille.
Figura 5. Célula Braille
Figura 7. Circuito eletrônico auxiliar.
Foram utilizadas seis agulhas de metal, nas quais
fixaram-se pinos de tecnil com 1,6 mm de diâmetro.
Quando ativada, a agulha eleva-se 0,8 mm em relação a uma guia de tecnil (uma peça com furos que
delimita as distâncias entre cada pino).
Na construção da célula objetivou-se atender às especificações de dimensões e distâncias padrões entre
pinos (GESTA, 2012). A Figura 6 esboça o esquema
de uma das bobinas de elevação.
Neste projeto foi utilizada uma protoboard para
acomodar os componentes do circuito desenvolvido
que interliga as portas digitais do Arduino à Célula
Braille. No entanto, tal circuito pode ser impresso
em uma placa de forma artesanal. A Figura 8 apresenta uma possível configuração para a confecção de
uma placa de circuito impresso para tal finalidade.
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Os Arduinos baseados no chip Atmega2560, como o
Arduino MEGA, implementam o protocolo SPI nos
pinos 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK) e 53 (SS).
Para operações de leitura, são utilizados 7 pinos na
conexão entre memória e Arduino, sendo os 4 primeiros citados acima juntamente com os pinos de
alimentação (5 V) e terra (GND). Também são necessários resistores para atuarem como divisores de
tensão, visto que os cartões SD trabalham com 3,3 V
de tensão. A Figura 10 apresenta o esquema elétrico
entre o Arduino e o cartão SD (Trentin, 2011).
Figura 8. Esquema eletrônico para impressão em placa
O processo de obtenção dos textos pelo sistema se
inicia a partir da leitura de um arquivo de texto no
formato text.txt, contido em um cartão de memória
do tipo SD.
Para o uso de um cartão SD, existem duas alternativas: (1) adquirir um módulo Shield SD ou (2) compor o circuito por meio de uma placa de circuito
impresso ou protoboard para as conexões entre o
Arduino e o cartão. Para este trabalho, foi utilizada a
segunda alternativa, em virtude da redução de custos. Neste procedimento, faz-se necessários alguns
conhecimentos sobre o funcionamento do dispositivo, como a tensão de alimentação em 3,3 V, e o diagrama esquemático contendo a pinagem do cartão
SD3. A figura 9 mostra o dispositivo de leitura de
cartão SD.
Figura 10. Integração entre o Arduino e o cartão SD
O protótipo completo da Célula Braille, chamado
“Conversor Braille”, é apresentado na Figura 11.
Figura 11. Protótipo completo do conversor Braille
Figura 9. Dispositivo de leitura de cartão SD
Os cartões SD comunicam-se através de uma Interface Periférica Serial (SPI – Serial Peripheral Interface), um protocolo síncrono que permite a um dispositivo mestre iniciar a comunicação com um dispositivo escravo.
O Arduino nomeia os pinos de entrada e saída como
MOSI (Master Out Slave In) e MISO (Master In
Slave Out). Para prover o sincronismo, o sinal de
clock (pino SCK) pode ser gerado somente pelo mestre, e este sinal controla quando os dados podem
mudar e quando são válidos para leitura. Por permitir vários escravos, o SPI precisa controlar qual deles
está sendo acessado, e o faz com um sinal SS (Slave
Select), configurado como saída no Arduino para
que este atue como mestre.
Para a alimentação do dispositivo como um todo,
foram utilizadas duas baterias de 3,6 V, que podem
ser substituídas por uma fonte de tensão correspondente à soma das duas baterias interligadas em série.
Não é recomendado utilizar a alimentação elétrica a
partir da porta USB de um PC ou notebook devido a
baixa amperagem gerada pela USB, que influencia
no funcionamento dos demais componentes do circuito, além da dependência desnecessária do computador.
Outro dispositivo presente no conversor é um display
cujo objetivo é permitir a verificação de alguns aspectos do funcionamento do sistema. Neste são apresentadas informações relacionadas à inicialização do
sistema, bem como o caractere correntemente lido e
a ser apresentado na célula Braille, possibilitando,
3
SD-ARDUINO: http://www.paulotrentin.com.br/eletronica/datalogger-sdmmc-com-arduino/
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por exemplo, a um professor de Braille verificar se
as letras são correspondentes.
dades do sistema, com a integração de mais caracteres e dispositivos de áudio-descrição.
4 Resultados
Referências Bibliográficas
Para a realização de testes, foram utilizadas 26
letras minúsculas do alfabeto. No entanto, com a
Célula Braille de 6 (seis) pinos é possível formar até
63 informações, sejam sinalizadores, letras maiúsculas ou minúsculas, números ou pontuações.
Por meio da execução do sistema pôde-se verificar
que o Conversor Braille desempenhou as funções
esperadas, que são: leitura de informações textuais a
partir de uma memória, conversão em sinais analógicos e apresentação das informações na Célula desenvolvida em forma de caracteres Braille. Além
disso, constatou-se também que o tempo de apresentação ocorre de forma instantânea.
No teste realizado, em especifico, quando encontrado algum caractere diferente das 26 letras utilizadas,
todos os pinos da célula são desativados. Todavia,
mais caracteres podem ser traduzidos, bem como,
uma configuração de pinos pode ser definida para
sinalizar um caractere desconhecido.
A leitura e impressão de cada letra na Célula Braille
pode ser realizada de forma manual, a partir do acionamento de um botão, ou automática definindo-se
um intervalo de tempo entre cada letra na programação do Arduino. Para os testes realizados, foi utilizado um intervalo de 2 segundos. Desta forma,
quando houver uma pausa de 4 segundos para a leitura da próxima letra, significa que foi encontrado
um espaço em branco ou uma quebra de página.
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http://www.paulotrentin.com.br/eletronica/datalogger-sdmmc-com-arduino> Acesso em 10 de
janeiro de 2013.
5 Conclusões
Diante da necessidade contínua de melhoria de
vida tanto para pessoas sem necessidades especiais
quanto para pessoas com algum grau de deficiência,
algumas tecnologias tornam-se alternativas. Este
trabalho buscou prover acessibilidade a pessoas com
deficiência visual por meio do desenvolvimento de
um sistema que provê a apresentação de textos digitais em alfabeto Braille.
O dispositivo denominado Célula Braille possui características como baixo custo de aquisição, integração com dispositivos e facilidade de utilização, frente a outros modelos mais robustos mas que possuem
um custo muito elevado.
O dispositivo foi projetado a partir de peças consideradas atualmente lixo eletrônico, como cabeças de
impressora matriciais, placas de circuito impresso
artesanais e plataformas de prototipagem de baixo
custo e fácil programação.
Como trabalhos futuros, sugerem-se a validação do
Conversor Braille com pessoas que possuam deficiência visual, bem como o acréscimo de funcionali-
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