SISTEMA MICROCONTROLADO PARA CONTROLE E SUPERVISÃO DE EQUIPAMENTOS ELETROELETRÔNICOS UTILIZANDO LABWINDOWS
RENAN C. BASONI, JOÃO M. SALOMÃO.
Coordenadoria de Engenharia Elétrica, Campus Vitória, Ifes
Av. Vitória, 1729, 29040-780 Vitória, ES, BRASIL
E-mails: [email protected], [email protected]
Abstract This paper presents an integrated system for supervision and control of electronic equipment using a wireless communication network with microcontrollers using a graphical interface implemented in LabWindows development environment. It uses
master-slave Communication in a standard network star topology. It enables the user to monitor and control electronic equipment installed, for example, in homes, hotels, motels, public buildings, schools and universities. It monitors the equipment "on-line" including
the amount of time that was used and possible flaws in them, saves the information in the database and allows the preparation of
sheets and reports with various information of environments and equipment. When applied to a hotel or motel, in case of any defective equipment or a burnt lamp, the supervisory indicates that the suite will not be leased. The system was tested in an environment
consisting of models of "suites" containing all the equipment that could be found in a hotel or motel and the results have proven effective thus contributing to the reduction of electric energy waste and assistance in the predictive maintenance of equipments.
Keywords Embedded System, Radiofrequency, Intelligent Automation and Supervision Systems.
Resumo Este artigo apresenta um sistema integrado para supervisão e controle de equipamentos eletroeletrônicos utilizando
uma rede de comunicação sem fio de microcontroladores com uso de uma interface gráfica implementada no ambiente de desenvolvimento LabWindows. A comunicação ocorre no padrão mestre-escravo através de uma rede em topologia estrela, possibilitando ao usuário monitorar e controlar equipamentos eletroeletrônicos instalados em casas, hotéis, motéis, prédios públicos,
escolas, universidades dentre outros. Esta rede também monitora os equipamentos de forma “online” incluindo o tempo de uso e
possíveis falhas nos mesmos, salva as informações em banco de dados e permite a elaboração de planilhas e relatórios com diversas informações dos ambientes e equipamentos. Quando aplicado a um hotel ou motel, caso haja algum equipamento com defeito ou uma lâmpada queimada, o supervisório indica que a suíte não deverá ser locada. O sistema foi testado em um ambiente
constituído por maquetes de “suítes” contendo todos os equipamentos encontrados em um hotel ou motel e os resultados comprovaram sua eficácia contribuindo, desta forma, para a diminuição do desperdício de energia elétrica e o auxílio na manutenção
preditiva dos equipamentos.
Palavras-chave Sistema Embarcado, Radiofrequência, Automação Inteligente e Supervisão de Sistemas.
1
Introdução
De acordo com o IBGE (Instituto Brasileiro de
Geografia e Estatística), a população brasileira atual
é de aproximadamente 204 milhões de pessoas. Devido a isso, o sistema elétrico brasileiro é um dos
maiores do mundo. Ele é regulado pela ANEEL
(Agência Nacional de Energia Elétrica) que, através
da Resolução Nº 271, de 10 de julho de 2000, estabeleceu os critérios de aplicação de recursos em ações
de combate ao desperdício de energia elétrica e desenvolvimento tecnológico do setor elétrico.
Uma das ações, nesta resolução, é a estimulação
de atividades de pesquisa para auxiliar no combate ao
desperdício, o que implica na redução de usinas geradoras e gastos oriundos da produção desta energia
e, ainda, minimiza os problemas gerados pela escassez de água enfrentada atualmente.
O controle total do uso dos equipamentos e dispositivos eletroeletrônicos não é uma tarefa simples.
Associando-se a isso, infelizmente no Brasil, é habitual que as pessoas esqueçam os equipamentos ligados ao sair dos ambientes e tal atitude está diretamente ligada ao desperdício.
Atualmente, o modo mais comum de se acionar
uma lâmpada, ou qualquer eletrodoméstico, é através
do uso de interruptores, controle remoto ou algum
tipo de botão liga-desliga. Este procedimento exige a
presença da pessoa que necessita locomover-se até o
ambiente.
Neste trabalho, é apresentado um sistema integrado para monitoramento, supervisão e controle de
equipamentos eletroeletrônicos utilizando uma rede
de comunicação sem fio de microcontroladores. Ele
apresenta uma integração homem-máquina através de
uma interface gráfica implementada no ambiente de
desenvolvimento LabWindows e destina-se a aplicações em residências, hotéis, motéis, prédios públicos,
escolas, universidades dentre outros.
2 Materiais e Métodos
2.1 Sistemas Embarcados
Os sistemas embarcados são dispositivos dotados de recursos computacionais sendo dedicados ao
desenvolvimento de uma única atividade ou um grupo limitado de atividades. Estes dispositivos são usados para executar tarefas de monitoramento e controle de equipamentos, tais como sensores, motores e
chaves, onde o programa de controle está gravado
junto do circuito que o executa (Axelson, 2003).
2.1.1 Microcontroladores
O desenvolvimento atual da tecnologia nas áreas
de automação e robótica deve-se principalmente ao
desenvolvimento dos microcontroladores. Eles têm
memórias e estruturas que lembram os microcomputadores, executando um software escrito para uma
determinada finalidade, sendo extremamente robustos, baratos e confiáveis (Silva, 2006).
Neste projeto foi utilizado o microcontrolador
Atmega328P fabricado pela Atmel. Ele foi escolhido
por ser dotado de mecanismos de interrupções sensíveis à mudança de níveis em todas as suas portas.
Assim, ao ocorrer uma intervenção humana, o programa principal é imediatamente interrompido e desviado para a execução da rotina que trata a interrupção.
Para a programação do Atmega328P foi utilizado o ambiente de desenvolvimento e compilador
Atmel Studio 6.2 da Atmel.
2.1.2 Dispositivos de Entrada e Saída
Os dispositivos de entrada são usados para possibilitarem a interação das pessoas com o sistema
embarcado, permitindo o controle sobre as variáveis
ou algum dispositivo específico. Os dispositivos de
saída estão associados à interação das pessoas com o
funcionamento do sistema embarcado, que demonstram de forma compreensível soluções criadas pelo
programa segundo os estímulos dos dispositivos de
entrada. Como dispositivos de entrada e saída temos
os teclados, potenciômetros, LCDS, displays, LEDS,
motores e lâmpadas.
2.2 Comunicação entre os dispositivos
O sistema de supervisão e o microcontrolador mestre se comunicam via interface serial usando
o protocolo RS232.
Os microcontroladores escravos enviam frames
de dados informando ao sistema de supervisão a situação dos equipamentos elétricos ligados a eles. Isso
possibilita o monitoramento dos equipamentos e a
criação de um banco de dados contendo o tempo de
uso e o estado dos equipamentos.
Os módulos de radiofrequência, que estabelecem
a comunicação entre os nós da rede, são baseados no
transceptor NRF24L01, fabricado pela NORDIC,
conforme apresenta a figura 1.
O NRF24L01 possui baixíssimo consumo de energia,
taxa de dados de até 2 Mbps e opera na banda livre
de 2,4 GHz. Suporta uma interface SPI de alta velocidade e, em campo aberto, seu alcance é de até 1100
metros. Além disso, ele permite a comunicação entre
6 chips consecutivamente e possui 126 canais configuráveis, possibilitando a diminuição de interferências.
Na implementação da rede sem fio, considerando
como cenário um hotel, todos os microcontroladores
foram devidamente endereçados, cada escravo recebeu o valor referente à sua própria suíte.
Como o NRF24L01 limita-se a comunicar-se
com seis outros, criou-se os “mestres subalternos”.
Estes recebem todos os dados que são enviados e, se
eles não se destinam ao seu ambiente, ele os replica
permitindo a continuação de envio dos dados. Considerando um hotel, se o número de suítes for maior
que sete, a quantidade de mestres subalternos pode
ser calculada através da equação:
Nms  0,2Ns  0,4
Sendo:
Nms: Número de mestres subalternos;
Ns: Número de suítes.
A figura 2 exibe como os mestres subalternos são
interligados.
Figura 2. Apresentação dos mestres subalternos
3 Experimentos
3.1 Funcionamento do sistema
Supondo como cenário um hotel ou motel, ao se
executar o sistema de supervisão, será solicitada uma
senha, conforme mostra a figura 3.
Figura 3. Janela de solicitação de senha
Figura 1. Transceptor NRF24L01
(1)
Ao inserir-se a senha corretamente a janela será
encerrada e, em seguida, outra janela será apresentada. Esta, por sua vez, iniciará mostrando a suíte 1,
conforme apresenta a figura 4.
Considerando que toda rede de microcontroladores
já esteja conectada, antes de exibir a suíte 1, o sistema de supervisão requisitará ao escravo, através do
mestre, o status de todos os equipamentos localizados
no interior daquele ambiente. Assim, a suíte será exibida na tela com seus respectivos equipamentos ligados ou desligados. Este procedimento é o mesmo se o
operador trocar para outra suíte na tela.
de energia elétrica, todas as informações são gravadas em banco de dados. Dessa forma, quando o sistema for reiniciado, o usuário pode recarregá-lo com
as informações perdidas.
Na fase de pesquisa, foi visitado um motel com
120 suítes. Neste caso, constatou-se o desperdício de
energia elétrica durante o intervalo entre a devolução
das chaves e o fechamento da conta. Isso ocorre porque o cliente deixa o ambiente com os equipamentos
ligados até a chegada de um funcionário. Este tempo,
segundo relatos dos próprios funcionários, dura em
média de 5 a 10 minutos.
O sistema também funciona como ferramenta
administrativa e possibilita a inserção do tempo de
locação desejado que, após configurado, aciona um
cronômetro na tela, conforme apresenta a figura 5.
Ao mudar de suíte na tela do sistema supervisório, o operador poderá se deparar com quatro condições: vazia, ocupada, limpando e em manutenção. O
locador das suítes conta com várias equipes com rádios comunicadores, tais como equipe de limpeza e
equipe de manutenção, obtendo assim as informações
operacionais. Entretanto, para garantir que não seja
locada uma suíte ocupada, o projeto tem sensores de
presença, possibilitando ao operador saber quando a
suíte estará vazia.
3.2 Acionamento dos equipamentos pelo sistema
Figura 5. Inserção do tempo
Assim, se o tempo de locação esgotar, o sistema
de supervisão acende um LED na cor vermelha, conforme mostra a figura 4 para a suíte 10.
Caso o sistema seja fechado indevidamente
por falha humana, ou devido a uma queda no sistema
Para efeitos de validação do sistema, foi construída uma maquete de uma suíte, e nela foram consideradas três lâmpadas, um ar condicionado e uma televisão.
A maioria dos equipamentos tem um botão de
acionamento, entretanto, o ar condicionado e a televisão são munidos de dois botões. Assim, no sistema
supervisório, o botão azul é responsável por ligá-los
ou desligá-los da tomada e o botão branco, para ligar
ou desligar através do circuito infravermelho.
Caso o botão azul seja pressionado com o equipamento ligado, o microcontrolador entenderá que
primeiro deverá efetuar o desligamento através do
circuito infravermelho, após isso, ele efetuará o desligamento pelo interruptor. Este mecanismo contribui
para prolongar a vida do equipamento.
Antes de locar uma suíte o operador do supervisório poderá utilizar o botão testar suíte. Ao fazer
isso, dois frames de dados são enviados ao escravo
através do mestre, o primeiro faz com que os equipamentos na suíte sejam desligados, o outro faz com
que todos sejam ligados.
Se todos os equipamentos estiverem funcionando
corretamente, esta informação será exibida na tela,
em caso contrário, aquele que apresentar falha será
exibido como desligado, concluindo que aquele
equipamento está danificado. Por outro lado, através
do botão desligar todos é possível desligar todos os
aparelhos, podendo também optar por um desligamento individual.
3.3 Acionamento dos equipamentos na suíte
Os interruptores são ligados ao microcontrolador
escravo localizado no interior da suíte, deste modo ao
pressionar o interruptor, ocorre uma interrupção por
mudança de estado da porta. Assim, o microcontrolador irá ligar ou desligar o equipamento, em seguida,
enviará um frame de dados ao sistema de supervisão
para atualização da tela. A figura 6 mostra os circuitos utilizados para a detecção do estado lógico dos
equipamentos.
Figura 6. Circuitos de acionamento e detecção do estado lógico
A figura 7 exibe os interruptores e a forma de
conexão dos circuitos ao microcontrolador através
dos pinos PD1, PD2, PC4 e PC5.
3.4 Detecção do estado lógico dos equipamentos
Os circuitos utilizados para a detecção do estado
lógico dos equipamentos estão ilustrados na figura 6.
Sendo o circuito A usado para a iluminação, e o circuito B usado para os equipamentos que possuem o
modo stand by, como a televisão e ar condicionador.
A detecção do estado lógico pode ocorrer por solicitação do usuário na interface do sistema, ou pelo
cliente dentro da suíte. No primeiro caso, para ligar
algum equipamento, o supervisório envia um frame
de dados para o escravo, em seguida, os circuitos da
figura 6 enviam ao microcontrolador a devida mudança de estado. A partir dessa informação, o escravo
devolve o frame de dados, atualizando assim a tela
do supervisório. No segundo caso, a detecção ocorre
de forma similar com a diferença que isso ocorre
pelo acionamento feito através dos interruptores
ou por um controle remoto, conforme figura 7.
Caso alguém altere o nível lógico de um equipamento, se a suíte apresentada na tela for diferente
daquela, não será enviado o frame de dados. Isso
ocorre, pois, ao escolher a suíte, o supervisório envia
um frame anteriormente informando que não precisará mais enviar dados e, em seguida, envia um frame
para uma nova suíte solicitando-a que envie dados
referente aos acionamentos dos equipamentos. Este
fato se dá devido à exibição de uma única suíte por
vez na tela.
A detecção processada pelo microcontrolador
acontece de três formas: leitura do pino de acionamento do microcontrolador, leitura da saída do
TIL111 e leitura da conversão analógica/digital para
os equipamentos que possuem modo stand by.
Sendo assim, no circuito A da figura 6, através
da leitura do pino de acionamento PD2, é obtido o
estado lógico da lâmpada, cujo acionamento é feito
através do optoacoplador MOC3021.
Se a lâmpada estiver danificada, usando apenas
este artifício não é suficiente para garantir o pleno
funcionamento e, por isso, usa-se o optoacoplador
TIL111. Assim, quando a lâmpada estiver ligada, a
saída do TIL111, junto com a combinação do capacitor de 2.2 uF e o resistor de 47 kΩ, estabilizam a
saída em aproximadamente 4,5 V, direcionada ao
microcontrolador através do pino PC4.
Sabendo-se que o TIL111 pode ser danificado,
como redundância, para ser confirmada a situação
lógica da lâmpada via software, foi criada uma lógica
E conforme a tabela 1.
Tabela 1. Lógica booleana & para analise condicional da lâmpada.
Figura 7. Ligação dos interruptores
Nível lógico pino PD2
Nível lógico pino PC4
Resultado
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
0
1
Na tabela 1, verifica-se que a lâmpada só aparecerá funcionando para o usuário, na tela do supervisório, se os pinos PD2 e PC4 estiverem em nível lógico alto, diminuindo assim a probabilidade de erro
na detecção.
Analisando os circuitos A e B da figura 6, observa-se a garantia do nível lógico. O circuito B
exigiu o uso do sensor de corrente ACS712-30A.
Este funciona por efeito hall, tem resolução de 66
mV/A e retorna em Vout de 0 a 5 V.
Nesta etapa, todos os eletroeletrônicos foram
previamente testados, armazenados seus valores de
tensão desligados, ligados e em stand by, ficando
fácil detectar, através do microcontrolador, a situação
de uso de cada um deles.
3.3 Frame de dados
O frame de dados é montado pelo sistema supervisório e, em seguida, enviado para o mestre da rede
contendo uma palavra de 7 bytes como apresentado
na figura 8.
Figura 9. Frame de dados montado pelo escravo









Byte 0: Status da lâmpada do banheiro;
Byte 1: Status da lâmpada do quarto;
Byte 2: Status da lâmpada da garagem;
Byte 3: Status do ar condicionado;
Byte 4: Status da televisão;
Byte 5: Sensor de presença, acionado ou
não;
Byte 6: Tipo de dado;
Byte 7: Checksum;
Byte 8: Byte que representa o fim da mensagem.
Os valores inseridos nos bytes 0 a 2 estão de
acordo com a lógica da tabela 2:
Tabela 2. Valores para os bytes 0 a 2.
Status
Valores para os bytes 0 a 2
Desligada
Ligada
Defeito
0
1
2
Os valores inseridos dos bytes 3 e 4 seguem a
lógica da tabela 3:
Tabela 3. Valores para os bytes 3 e 4
Figura 8. Frame de dados montado pelo supervisório
O NRF24L01 possui um protocolo de comunicação que implementa o CRC (Cyclic Redundancy
Checking), como método de detecção de erros na
comunicação, tal fato exclui a necessidade da utilização do byte 5 da figura 8, reduzindo, desse jeito, o
frame de dados enviado do mestre para o escravo.
O frame de dados montado pelo microcontrolador escravo é diferente do frame de dados que é montado pelo supervisório, mas o método de detecção de
erros é o mesmo, isto é, o checksum.
A necessidade de informar, em um único frame
de dados, o status de todos os equipamentos eletroeletrônicos lotados de uma suíte é que difere de um
frame para o outro. No caso do supervisório, ao enviar um frame de dados, ele o faz para um único equipamento. Isto o torna menos complexo e menor.
Ao receber o frame de dados do microcontrolador escravo de uma suíte, o mestre acrescentará os
bytes 7 e 8 antes de enviá-los ao sistema supervisório, conforme a descrição de cada byte da figura 9.
Status
Valores para os bytes 3 e 4
Desligada
Stand by
Ligada
Defeito
0
1
2
3
O byte 5, se o sensor de presença estiver acionado receberá 1, caso contrário, receberá 0. Já o byte
6, que representa o tipo de dado, no caso de ser enviado de modo automático pelo supervisório, para requerer status das suítes, ele será 0; caso o frame de
dados enviado seja pelo comando de algum botão no
supervisório, o byte 6 receberá 1.
Após recebido o frame de dados do mestre, com
base na figura 4, carrega-se os status de todos os
equipamentos na tela do sistema supervisório
3.3 Construção das maquetes para validação do
projeto
Com o objetivo de testar, aprimorar, aperfeiçoar
e facilitar o uso de todos os recursos oferecidos e,
também, para verificar a funcionalidade do projeto,
construiu-se um conjunto de três maquetes.
Cada uma delas simula um nó da rede e contém
os equipamentos eletroeletrônicos mais usuais em
hotéis e motéis, a figura 10 abaixo demonstra uma
dessas maquetes.
Figura 10. Maquete de uma suíte
A figura 11 abaixo demonstra os LEDS que representam a televisão e o ar condicionado em stand by.
te, possibilitando atitudes como, por exemplo, a troca
dos filtros do ar condicionado.
O microcontrolador mais indicado, para projetos
que demandam mais equipamentos, seria o Atmega2560 do mesmo fabricante, porém com 100 pinos,
proporcionando assim o uso de mais sensores, como
por exemplo, sensor de temperatura, sensor de umidade e sensor de pressão.
Nesse trabalho, preocupou-se principalmente com
a economia de energia proporcionada pela diminuição do desperdício. Para tanto, foi desenvolvido e
testado um sistema de supervisão e controle que monitora as cargas constituídas de equipamentos eletroeletrônicos em pontos remotos. Para tanto, ele comunica, através de uma rede sem fio, com dispositivos
embarcados situados nas suítes de um hotel ou motel.
Os resultados avaliados em um protótipo, formado
por três maquetes de suíte para avaliação próxima de
um sistema real, foram bastante promissores. Neste
caso, foram avaliados os níveis de interferências nos
transceptores, a interpretação correta dos comandos
remotos liga-desliga e os testes dos equipamentos.
Isto contribuiu muito para a validação da proposta
proporcionando resultados que comprovaram a viabilidade de implementação em um ambiente real.
Figura 11. LEDS que representam a condição de stand by
Agradecimentos
Conforme apresentado em seções anteriores,
para o monitoramento e controle de equipamentos
que possuem o modo stand by, é exigido a utilização
de um sensor de corrente para detecção do status.
Neste projeto se fez o uso do sensor de corrente
ACS712. Este retorna uma tensão de 0 a 5 V no conversor A/D. Como é impossível inserir uma televisão
e um ar condicionado nas maquetes, foi preciso construir um circuito contendo dois transistores e um relé,
cuja função é fazer com que o microcontrolador perceba os três níveis de tensões necessários para a tomada de decisão, assim, o conversor A/D funciona
como na condição real utilizando as maquetes.
Aos meus professores: Dr. Hans Rolf Kulitz, Dr. Luís
Eduardo de Lima, Dr. Rodrigo Varejão Andreão e
Dr. Shirley Peroni Neves Cani, os quais transmitiram-me uma excelente gama de conhecimento na
área abordada neste projeto.
4 Conclusão
Através do circuito B da figura 6, considerando
equipamentos que utilizam o modo stand by, é importante ressaltar que o método empregado evita que
se interrompa a energia bruscamente dos aparelhos,
como no caso dos circuitos de relés que são acionados através de leitores de cartões localizados na porta
de entrada de hotéis, motéis e escolas, podendo diminuir a vida útil dos aparelhos eletroeletrônicos. Ao
desligar o aparelho é razoável primeiro usar o controle remoto e, em seguida, interromper a energia do
mesmo.
A estratégia de detecção do estado lógico dos
equipamentos possibilita uma ferramenta a mais para
auxiliar nos planos de manutenção preditiva, pois é
gerado um relatório através de arquivo informando o
tempo de uso de todos os equipamentos de cada suí-
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