DOMÓTICA: AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL Vitor Lins [email protected] Waldson Moura [email protected] UNIBRATEC Av.Marechal Mascarenhas de Morais, 4989, Imbiribeira, Recife­PE | CEP 51150­002 Resumo Neste artigo abordaremos o poder da tecnologia que utiliza entre outros meios a robótica para controle e automação residencial, como funciona e as suas principais utilizações. O termo “Domótica” é a junção da palavra latina “Domus” (casa) com “Robótica”, vem sendo bastante utilizada atualmente, sejam pelos aspectos de segurança, ou mesmo de conforto. A Domótica pode ser focada em duas arquiteturas diferentes, “ABA ­ Arquitetura Baseada em Automação”, onde o usuário se adapta a automação implantada e a “ABC – Automação Baseada em Comportamento” onde os sistemas de automação devem se adaptar e aprender com os usuários. Faremos uma abordagem dessas duas arquiteturas de sistemas domóticos, mostrando suas características e salientando principalmente o conceito de domótica inteligente. Mostraremos a importância da “I.A. – Inteligência Artificial” no desenvolvimento da arquitetura ABC. Visando extender o conceito de automação residencial, a domótica inteligente, busca inserir em sistemas domóticos tomadas de decisão inteligentes, como por exemplo, gerenciamento de recursos (energia, água, etc.) e controle e solução de falhas, tudo isso partindo da construção de árvores de decisão baseadas no estudo do comportamento dos usuários do sistema. Será feita também uma abordagem sobre alguns dos principais protocolos responsáveis pela comunicação entre os sensores e atuadores nos sistemas domóticos, o X10, o EIB e o LonWorks. Esses protocolos são os mais utilizados atualmente, seja pela sua divulgação, seja pelas suas características técnicas ou pelo fato de terem sido objeto de normalização. Tais protocolos competem entre si, disputando o mercado, porém não existe nenhum que se possa considerar dominante. Palavr as­chave: Automação predial, domótica, inteligência artificial, protocolo de comunicação.
Abstr act In this article we discuss the power of technology that uses robotics and other means to control and home automation, how it works and its main uses. The term "Home Automation" is the junction of the Latin word "Domus" (home) with "Robots" is being widely used today are the security aspects, or even comfort. The Home automation can be focused on two different architectures, "ABA ­ Automation Based Architecture", where the user adapts to automation and deployed "ABC ­ Automation Based on Behavior" where automation systems must adapt and learn from users. We will approach these two architectures for home automation systems, showing its features and emphasizing mainly the concept of smart home automation. Show the importance of "active ingredients ­ Artificial Intelligence on developments in architecture ABC. Aiming to extend the concept of home automation, smart home automation, home automation systems seek to enter into intelligent decision making, such as resource management (energy, water, etc..) And control and troubleshooting failures, all based on the construction of decision trees based on the behavior of system users. Will also made an approach on some key protocols responsible for communication between sensors and actuators in home automation systems, the X10, the EIB and LonWorks. These protocols are the most widely used, either by disclosure either by their technical characteristics or because they have been subject to standardization. Such protocols compete, competing, but there is none that can be considered dominant. Key­wor ds: building automation, home automation, artificial intelligence, communication protocol. 1. Intr odução Este artigo visa explanar todos os conceitos de domótica, como também de suas aplicações; definem as arquiteturas utilizadas na domótica, ABA (Arquitetura Baseada em Automação), conhecida como domótica estática e ABC (Automação Baseada em Comportamento), conhecida como domótica inteligente, que faz uso de técnicas de I.A. (Inteligência Artificial) para se adaptar ao comportamento humano; os protocolos utilizados para tornar possível a comunicação entre sensores e atuadores, também serão definidos nesse artigo. A automação de casas e prédios, conhecida como Domótica, é uma área bastante interessante e vem crescendo cada vez mais. Diretamente ligada ao controle e automação de residências, seus
objetivos fundamentais são de oferecer conforto e segurança, tudo isso é conseguido aplicando­ se mecanismos automáticos, e em alguns casos, utilizando­se da I.A. (Inteligência Artificial). Os sistemas domóticos proporcionam aos usuários um grande número de funcionalidades, por exemplo, ligar e desligar luzes em horários programados, ajustar a temperatura ambiente, ligar TV, som e home theater, baixar e subir persianas, entre muitas outras possibilidades. Outro fator bastante importante e atraente na domótica é a gestão do consumo de energia elétrica, que visa sempre à diminuição dos gastos excessivos. O artigo se divide da seguinte forma: No item 2, serão discutidos os conceitos de domótica e sua aplicabilidade; o item 3 explanará suas arquiteturas, e fará um comparativo entre elas; no item 4, descreveremos os protocolos de comunicação X10, EIB e o LonWorks, como também suas principais características, o item 5 consiste nas considerações finais a respeito do tema em questão e o item 6 contém todas as referências utilizadas nesse artigo. 2. A Domótica e sua definição Uma definição mais atual da domótica é a de que esta é a utilização simultânea da eletricidade, da eletrônica e das tecnologias da informação no ambiente residencial, permitindo realizar a sua gestão, local ou remota, e oferecer uma vasta gama de aplicações nas áreas da segurança, conforto, comunicações e gestão de energia (Mariotoni; Andrade, 2007). Um exemplo do que a domótica é capaz: Após um dia cansativo e estressante de trabalho, nossa vontade é chegar em casa e apenas relaxar, porém ao chegar na nossa porta, percebemos que deixamos as chaves dentro do carro, e que teremos que descer até a garagem para buscá­la. Isso não é necessário se tivermos um sistema domótico em casa, apenas precisamos colocar o dedo polegar no leitor biométrico instalado na fechadura de nossa porta, com esse simples gesto, teremos a porta aberta. Ao detectar que entramos em casa o sistema aciona o ar­ condicionado na temperatura comumente utilizada por nós, liga a TV no canal que sempre assistimos nesse horário e acende as luzes. O sistema domótico armazena as operações mais corriqueiras do usuário, com isso, ele já pode deduzir que iremos utilizar a banheira de hidromassagem na temperatura desejada, assim, ele aciona seu enchimento. Após o banho, ao apertarmos apenas uma tecla no controle remoto universal do sistema, o mesmo ativará o modo home theater de nossa sala, fechando persianas, diminuindo a luminosidade e ligando nosso equipamento de som. Esse pequeno exemplo não é coisa de filme futurista, já se pode obter isso e muito mais com um sistema domótico implantado em sua residência, vimos no exemplo que o proprietário ganhou em segurança, com o sistema de abertura de porta biométrico, ganhou em
conforto com as inúmeras facilidades obtidas e ganhou em economia com a gerência de energia eficiente. No início, era bastante caro e difícil implantar um sistema domótico, os equipamentos eram bastante custosos e a mão de obra especializada era difícil. Porém a alguns anos o custo dos equipamentos vem diminuindo, com isso é possível construir sensores e atuadores para implementar uma arquitetura descentralizada. Com o uso de protocolos específicos, a domótica tornou­se mais fácil de utilizar e implantar, e ainda ganhou em flexibilidade e modularidade e com a redução do custo do hardware, novos produtos são lançados aumentando as possibilidades. Com a popularização da internet, novos fabricantes têm surgido e lançado novos produtos e serviços que unem o melhor da internet (baixo custo, difusão, apresentação WEB, GPRS ou EDGE) com tecnologias de controle de dados accessíveis e padronizados para ajudar a impulsionar a domótica. 3. Ar quitetur as A domótica está dividida em dois tipos de arquiteturas, ABA (Arquitetura Baseada em Automação), conhecida como domótica estática e a ABC (Arquitetura Baseada em Comportamento), essa segunda, conhecida também como domótica inteligente (Eng et al, 2002). A domótica que utiliza a arquitetura ABA (Arquitetura Baseada em Automação), trata a automação de residências a partir de dispositivos, como controles remotos, sensores de movimento, dispositivos biométricos. Todos esses ajustados e configurados pelos seus usuários, de modo que, os habitantes da residência não tenham que se adaptar ao sistema nem precisar configurá­lo fazendo com que o mesmo funcione de acordo com as necessidades dos usuários. A domótica baseada na arquitetura ABC (Arquitetura Baseada em Comportamento), chamada de “Domótica Inteligente” (entende­se por domótica inteligente o processo de automação que incorpore algum mecanismo automático de tomada de decisão baseada em técnicas de Inteligência Artificial (Michell, 1997)) utiliza algoritmos como o ID3, o qual veremos mais detalhes nesse tópico. Um dos trabalhos de pesquisa que foca em domótica inteligente é o do MIT Artificial Intelligence Lab (http://www.csail.mit.edu/), que integra teoria e aplicação (Brooks, 1997). Tal trabalho é restrito a uma sala de reuniões onde o sistema de domótica inteligente ajuda as pessoas atingirem seus objetivos, utilizando para isto reconhecimento de fala e percepção visual (visão computacional).
Já o sistema Ada (Eng et al, 2002) foca em um outro paradigma de domótica inteligente. O sistema trata o ambiente como um organismo artificial que possui estados emocionais. O objetivo do sistema Ada é modificar dinamicamente o ambiente de modo a melhorar sua funcionalidade e qualidade. Essa modificação é feita por diálogos com os visitantes. 3.1 O algoritmo ID3 O algoritmo ID3 (Michell, 1997) é uma técnica de aprendizado que consiste na indução de uma descrição geral a partir de um conjunto de exemplos, chamado de conjunto de treinamento. Sendo um dos algoritmos mais simples que generalizam regras no formato de uma árvore de decisão, no ID3 cada regra é um conjunto de instâncias, que possui certos atributos discretos. Um exemplo dessas instâncias pode ser “persiana” onde seus atributos seriam “aberta”, “fechada”, “subir”, “descer”. O “tempo” também pode ser outro exemplo de instância, onde seus atributos seriam “manhã”, “tarde” e “noite”. O ID3, utiliza para criar a árvore de decisão uma fórmula que calcula a entropia de um conjunto de treinamento considerado (entende­se por “entropia” a grandeza termodinâmica que mede a parte de energia que não pode ser transformada em trabalho). A entropia mede a quantidade de informação contida em um atributo. Quanto menor for a entropia de um atributo, menor será o seu grau de incerteza. Portanto, o atributo de menor entropia é o que possui maior quantidade de informação, sendo escolhido para ser a raiz de uma Árvore de Decisão. Com esse cálculo, é possível determinar o quanto há de exemplos para cada atributo de resposta. O ID3 classifica cada atributo de cada instância relacionando com cada atributo da resposta. O sistema deve escolher um atributo como raiz da árvore de decisão que possa separar, da melhor maneira possível, o conjunto de treinamento inicial em outros conjuntos de treinamento menores, porém mais homogêneos. O melhor ganho de uma instância significa que a mesma pode dividir o conjunto de treinamento em subconjuntos mais homogêneos do que outras instâncias que possuem valor de ganho menor. Com isso o ID3 consegue decidir quais serão os nós e a raiz da árvore de decisão. 3.2 Sistema ABC O ID3 aplicado ao sistema de automação implica nas seguintes definições: Conjunto de Treinamento: Cada conjunto de treinamento no sistema ID3 representará um atuador do sistema de automação.
Resposta: Cada atributo de resposta de um conjunto de treinamento no sistema ID3 será um estado do atuador cujo conjunto de treinamento representa. Instâncias e atr ibutos: Cada sensor de um sistema de automação é uma instância cujos atributos formam o status deste sensor. O sistema ABC, consiste em Atuadores, Sensores e um Banco de regras criado pelo ID3, conforme Figura 1. Figur a 1: O sistema ABC. Na figura acima, os sensores1 formam o grupo de sensores que agem diretamente com os atuadores e que podem sofrer interferência humana em seu status. Ex.: interruptor luz e interruptor Ar­condicionado. Já os sensores do grupo sensores2 agem sem a interferência humana. Ex.: Luminosidade e Temperatura externa. 4. Protocolos de Comunicação Os protocolos de comunicação são a linguagem que permite que os diversos elementos de um sistema domótico (sensores e atuadores) se comuniquem e que se entendam. Como exemplos de protocolos de comunicação temos o X­10 (o mais antigo e usado no mundo inteiro), o EIB e o LonWorks. Todos estes protocolos de comunicação tornaram­se verdadeiros padrões, normalmente são geridos por uma instituição ou associação, como é o caso da EIBA (European Installation Bus Association) que responde em tudo o que diz respeito ao protocolo EIB ou pela Associação de Fabricantes Lonmark que realiza o mesmo em relação ao protocolo Lonworks (António Roque, www.acasainteligente.com).
4.1 O protocolo X10 O X­10 é o protocolo mais antigo usado nas aplicações domóticas. Foi desenvolvido entre 1976 e 1978 com o objetivo de transmitir dados por linhas de baixa tensão (110V nos EUA e 230V na Europa) a muito baixa velocidade (60 bps no EUA e 50 bps na Europa) e com custos muito baixos. Ao usar as linhas elétricas da residência, não se torna necessário ter novos cabos para ligar os dispositivos. O protocolo X­10, teve sua patente expirada, ou seja, qualquer fabricante pode produzir dispositivos X­10 e oferecê­los ao público sem pagamento de taxas relativas a patentes. Assim sendo, e ao contrário do que sucede com a firma Echelon Corporation e o seu Neuron Chip que implementa o Lonworks e que tem uma filosofia muito aproximada, os circuitos integrados que implementam o X­10 não tem royalties (http://albt.tripod.com/x10.htm). Graças ao seu amadurecimento (mais de 20 anos no mercado) e à tecnologia implementada, os produtos X­10 têm um preço muito competitivo sendo líder no mercado residencial Norte­ Americano com as instalações a serem realizadas por eletricistas sem conhecimentos de automação ou informática ou até pelos próprios utilizadores. 4.2 O Pr otocolo EIB (Eur opean Installation Bus) O EIB é um protocolo de comunicação desenvolvido por um conjunto de empresas líderes no Mercado Europeu de material elétrico com o objetivo declarado de criar um sistema que constitua uma barreira às importações de produtos e sistemas semelhantes que estavam e estão sendo produzidos nos mercados Japonês e dos Estados Unidos onde estas tecnologias possuem um grau de maturidade superior ao produzido na Europa. O objetivo era criar um padrão Europeu que permita a comunicação entre todos os dispositivos de uma instalação, esteja ela numa casa ou num edifício de escritórios. O EIB possui uma arquitetura descentralizada. Ele define uma relação elemento – a – elemento entre os dispositivos, o que permite distribuir a inteligência entre os sensores e atuadores instalados. O EIB transmite dados através de cabo telefônico, redes Ethernet, sinal de radiofreqüência e por infravermelho. 4.3 O Pr otocolo LonWorks
A Echelon Corporation apresentou a tecnologia LonWorks no ano 1992 e desde então múltiplas empresas têm vindo a usar para implementar redes de controle distribuídas e automatizadas. Apesar de estar desenhada para cobrir todos os requisitos da maioria das aplicações de controle, só tem tido êxito a sua implementação em edifícios administrativos, hotéis e indústrias. Devido ao seu custo, os dispositivos LonWorks não têm tido grande implementação nas casas, sobretudo porque existem outras tecnologias com funcionalidades iguais e muito mais baratas. O êxito que o LonWorks tem tido em aplicações profissionais nas quais importa muito mais a confiabilidade e a robustez que o preço em si, deve­se a que desde a origem oferecem uma solução com arquitetura descentralizada, extremo­a­extremo, que permite distribuir a inteligência entre os sensores e os atuadores instalados e que cobre desde o nível físico até ao nível de aplicação a maioria dos projetos de redes de controle. Segundo a Echelon, o LonWorks é um sistema aberto a qualquer fabricante que queira usar esta tecnologia sem depender de sistemas proprietários, o que permite reduzir os custos e aumentar a flexibilidade da aplicação de controle distribuída. 5. Considerações finais Este artigo visou apresentar o modelo de um sistema de automação predial e residencial, conhecido como domótica, que adapta e remodela suas regras conforme o comportamento do habitante (usuário) do sistema ou por meio da interação do próprio usuário. Apresentamos também as arquiteturas existentes e como elas funcionam, e como implementam o conceito de domótica inteligente aplicando técnicas de inteligência artificial através do algoritmo ID3. Os protocolos responsáveis por tornar possível a comunicação entre atuadores e sensores foram mostrados de forma clara e objetiva neste artigo. 6. Refer ências
· Marcelo Takiuchi, Érica Melo E Flavio Tonidandel. Domótica Inteligente: Automação Baseada Em Comportamento Disponível em: < http://www.fei.edu.br/~flaviot/pub_arquivos/cba2004_Final.pdf >. Acesso em: 14 nov. 2009.
· Batista, G.E. Um ambiente de Avaliação de Algoritmos de Aprendizado de Máquina utilizando exemplos. Dissertação (mestrado), Universidade de São Paulo, São Carlos. (1997)
· Ferreira, Carlos José G.. Automação Residencial Com Domótica. Disponível em:
< http://www.artigonal.com/destinos­de­viagem­artigos/automacao­residencial­ domotica­369823.html>. Acesso em: 06 nov.2009.