PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - PUCPR

ESCOLA POLITÉCNICA

ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

FABIANO BURAKOSKI RIBEIRO ELIAS

MARCUS VINICIUS ROECKER PETRI

TECHHOUSE

CURITIBA

2013

FABIANO BURAKOSKI RIBEIRO ELIAS

MARCUS VINICIUS ROECKER PETRI

TECHHOUSE

Trabalho apresentado à disciplina de Projeto

Final II do curso de Engenharia de

Computação da Pontifícia Universidade

Católica do Paraná, como parte integrante

da nota do 2º semestre, ministrada pelo

professor Luiz Lima Jr.

_______________________________

Orientador: Afonso Ferreira Miguel

CURITIBA

2013

SUMÁRIO

3.2 Resumo 04

3.3 Introdução 05

3.4 Detalhamento do Projeto 08

3.5 Testes e Resultados 18

3.6 Conclusão 24

3.7 Referências Bibliográficas 25

TABELAS

Tabela 01 – Especificações Raspberry Pi 14

Tabela 02 – Testes 21

TABELA DE FIGURAS

Figura 01 – Possíveis formas de Automação Residencial 06

Figura 02 – Pseudocódigo do Projeto 08

Figura 03 – Diagrama de Blocos Visão Geral 09

Figura 04 – Diagrama de Blocos Detalhamento 10

Figura 05 – Raspberry Pi 11

Figura 06 – Componentes do Raspberry Pi 12

Figura 07 – Raspberry Pi ligado no módulo de potência 15

Figura 08 – Aplicação Web 19

3.2 RESUMO

TechHouse é um projeto de automação residencial. O objetivo deste projeto é

desenvolver um ambiente Web. Onde através de um Gadget (dispositivos móveis

como, por exemplo, celulares e tablets) é possível enviar comandos a uma central. A

principal função da central é controlar os dispositivos elétricos e eletrônicos de uma

residência ou apenas um cômodo da mesma. Destinado a qualquer tipo de usuário

principalmente a aqueles que estiverem acometidos de algum tipo de deficiência de

locomoção temporário ou permanente. Além do controle também será possível fazer

a monitoração à distância por meio de câmeras integradas ao sistema, muito útil a

usuários que possuem residência litorânea e moram em residência urbana ou vice-

versa.

O controle e o monitoramento são efetuados através de uma Aplicação Web. O

Gadget se comunica via internet com a central, que por sua vez, atua como servidor

e após receber a instrução controla os periféricos ligados a ela.

O objetivo é garantir que o usuário execute tarefas relacionadas à automação e

monitoramento proporcionado por este projeto via Gadget com acesso à Web.

3.3 INTRODUÇÃO

O projeto TechHouse surgiu com a intenção de automatizar e monitorar um ou

mais ambientes. Esta diretamente ligada ao uso eficaz de energia. Essa automação

é conveniente a pessoas que possuem dificuldades de locomoção. Neste sistema, o

controle de ligar e desligar uma lâmpada, dispositivos eletrônicos, monitorar outros

cômodos ou outra residência é possível através de um Gadget.

Com este projeto, pessoas que moram em centros urbanos e possuem

residência em outras regiões tem a possibilidade de monitorar qualquer um desses

ambientes a distância.

TechHouse é um sistema que faz o controle e o monitoramento de ambientes. O

sistema é constituído de:

Uma aplicação Web compatível com Internet Explorer e Google Chrome;

Uma central responsável pelo controle dos periféricos;

Sensor de movimento para detecção de intrusão;

Câmera Digital para a gravação das imagens;

Módulo de Potência;

A Figura 01 abaixo ilustra as possíveis formas de automação residencial.

Figura 01 – Possíveis formas de automação residencial

Para a conclusão deste projeto foram desenvolvidos dois módulos, um de

potência e um de segurança, que serão demonstrados no decorrer deste

documento. Foi desenvolvido um servidor Web hospedado na central, e assim a

placa de desenvolvimento Raspberry Pi faz todo o gerenciamento das informações

recebidas pela Web convertendo-as em instrução acionando os periféricos ligados

ao módulo de potência.

3.3.1 Estrutura deste documento:

- Detalhamento do Projeto: neste item é apresentado um diagrama em

blocos com uma visão geral do projeto e o detalhamento de cada bloco.

- Procedimentos de Teste e Validações do Projeto: neste item é

apresentada a descrição dos testes realizados e os resultados obtidos.

- Conclusão: nesse item é apresentada a conclusão do projeto e o problema

relacionado ao uso de câmera com o Raspberry Pi.

- Referências Bibliográficas: nesse item são apresentadas as referências

sobre as tecnologias de desenvolvimento escolhidas.

- Anexos: Item que contém informações adicionais do projeto.

3.4 DETALHAMENTO DO PROJETO

A seguir, encontra-se o Pseudocódigo do projeto (Figura 02), o diagrama de

blocos com a visão geral do projeto (Figura 03) e o detalhamento do diagrama de

blocos (Figura 04).

Figura 02 – Pseudocódigo do projeto

Figura 03 – Diagrama em blocos com visão geral do projeto

Figura 04 – Diagrama em blocos detalhados

• Gadget [1] (do inglês: geringonça, dispositivo):

É um equipamento que tem um propósito e uma função específica, prática e útil

no cotidiano. São frequentemente chamados de gadgets dispositivos eletrônicos

portáteis como PDAs, celulares, tablets, smartphones, leitores de mp3, entre outros.

O uso deste equipamento se faz necessário, pois é a partir dele que os

comandos de controle do Raspberry Pi serão gerados.

• Internet:

O meio de comunicação entre Gadget e a Central será a internet. Utilizando

protocolo TCP/IP que permite a transmissão de qualquer tipo de transferência de

dados.

Para estabelecer a conexão será utilizado um protocolo padrão TCP. Para

estabelecer a conexão entre os dois lados são trocados alguns pacotes previamente

ao pacote com os dados efetivos. Depois de estabelecida a conexão o pacote com

os dados é transmitido.

O Web Server está implementado diretamente na memória do Raspberry Pi e

por questões de espaço as páginas deverão ser limitadas ao tamanho da memória.

As páginas serão implementadas em HTML e PHP. Para o acesso da página

será fornecida um Login e Senha para o cliente.

• Central:

Para estabelecer a conexão entre a central e a internet é necessário o uso de

um modem, é nele onde será configurado o IP.

A central é composta por um Rasperry Pi (Figura 05).

Figura 05 – Raspberry Pi

Raspberry Pi é um computador do tamanho de um cartão de crédito

desenvolvido no Reino Unido pela Fundação Raspberry Pi. Todo o hardware é

integrado em uma única placa. O objetivo principal foi de estimular o ensino

de ciência da computação básica em escolas.

O computador é baseado em System on a Chip (SoC) Broadcom BCM28377,

que inclui um processador ARM1176JZF-S de 700 MHz, GPUVideoCore IV,8 e 512

MB de memória RAM em sua última revisão. O projeto não inclui uma memória não

volátil - como um disco rígido - mas possui uma entrada de cartão SD para

armazenamento de dados (Figura 06).

Figura 06 – Componentes do Raspberry Pi

Raspberry Pi – Hardware

Existem atualmente dois modelos: Modelo A e Modelo B (Tabela 01). A grande

diferença entre os dois modelos é que o Modelo B possui um controlador Ethernet e

duas portas USB, enquanto que o Modelo A possui apenas uma porta USB e

nenhuma porta de Ethernet10.

Apesar de não possuir a porta Ethernet, o Modelo A pode ser conectado a

internet através de um adaptador USB de Ethernet ou Wi-Fi.

O Raspberry Pi não possui um relógio de tempo real (RTC), criando a

necessidade do sistema operacional usar um Network Time Protocol (NTP), ou do

usuário fornecer a hora ao sistema. Porém, um relógio de tempo real (como o

DS1307) pode ser adicionado pela interface.

Raspberry Pi - Especificações

Modelo A Modelo B

Preço esperado: 2 US$25 US$3511

SoC: 2 Broadcom BCM2835 (CPU, GPU, DSP, e SDRAM).

CPU: 700 MHz ARM1176JZF-S core (ARM11 family)7

GPU: Broadcom VideoCore IV,12 OpenGL ES 2.0, 1080p30

decodificador h.264/MPEG-4 AVC7

Memória (SDRAM): 512 MB (compartilhada com GPU)

Portas USB 2.0: 9 1 2 (via hub USB integrado)10

Saídas de vídeo: 2

RCA Composto (PAL & NTSC), HDMI (rev. 1.3 & 1.4)13,

Painéis LCD via DSI14.

14 resoluções HDMI de 640×350 a 1920×1200 mais diversos

padrões PAL e NTSC. 16

Saídas de áudio: 2 Conector de 3.5 mm, HDMI.

Armazenamento

onboard: 9 SD / MMC / slot para cartão SDIO

Rede onboard: 2 9 Nenhuma 10/100 Ethernet (RJ45)10

Periféricos de baixo

nível:

8 × GPIO, UART, I²C, SPI com dois seletores de chip, +3.3 V,

+5 V, terra12.

Power ratings: 500 mA (2.5 W)2 700 mA (3.5 W)

Fonte de energia: 2 5 volt via MicroUSB ou header GPIO

Tamanho: 85,60 mm × 53,98 mm18

Sistemas

Operacionais

Debian GNU/Linux, Fedora, Arch Linux, Raspbian19, RISC

OS.

Suite de Escritório Libre Office

Tabela 01 – Especificações Raspberry Pi

Raspberry Pi - Software

O Raspberry Pi é compatível com sistemas operacionais baseados em Linux.

O Raspbian é a distribuição Linux oficial do Raspberry Pi. As

distribuições Arch Linux [1] e Debian são também oficialmente suportadas e

disponíveis para download. O sistema operacional é normalmente armazenado no

cartão SD2.

Qualquer linguagem que possa ser compilada na arquitetura ARMV6 pode ser

usada para o desenvolvimento de software. O projeto tem como objetivo

usar Python como linguagem de programação.

Os aplicativos Livre, Libre Office, da The Document Foundation, que possui

os aplicativos Writer, Cálc., Impress, Draw, Math e Base, funcionam no Raspberry

Pi.

• Módulo de potência:

O módulo de potência consiste de uma interface elétrica entre o Raspberry Pi e

os periféricos. Para o controle dos periféricos é necessário o uso de um relé como

ilustrado na figura 06 abaixo. O relé é um interruptor eletromecânico acionado com

baixa tensão (5v) que se conectará aos equipamentos elétricos da rede, nele

podemos ligar lâmpadas, ventiladores, portão eletrônico, e demais.

Figura 07 – Raspberry Pi ligado ao módulo de potência e a lâmpada

• Periféricos:

Periféricos refere-se aos dispositivos elétricos ligados ao Raspberry Pi como, por

exemplo:

- Lâmpadas;

- Portão Eletrônico;

- Ventilador;

- entre outros.

Por meio do Módulo de Potência o Raspberry Pi envia comandos para esses

terminais.

Comandos que são do tipo: Ligar e Desligar.

• Módulo de Segurança:

O módulo de segurança consiste de um sensor de presença e de uma câmera

digital, onde caso houver uma intrusão o sensor de presença aciona uma das portas

de input do Raspberry Pi, o qual processa esse sinal e envia um comando para

capturar uma imagem através da câmera digital disponibilizando-a na página Web.

- Sensor de presença [4]

Os sensores infravermelhos passivos são importantes elementos na detecção de

invasão e intrusões em um ambiente, diferente do que a maioria das pessoas

acredita, eles não são sensores de movimento e sim sensores de variação de

temperatura. E são calibrados para a temperatura do corpo humano.

Eles são chamados infravermelhos passivos porque somente captam variações

de irradiação de luz infravermelha (variações de temperatura) no ambiente. Todos

os objetos emitem certa quantia de luz infravermelha, uma mudança repentina no

ambiente, como por exemplo: a entrada de uma pessoa alterará essa quantidade de

luz infravermelha, causando um alarme.

O sensor de presença será conectado ao Raspberry Pi, responsável pelo

monitoramento, e, ao perceber a intrusão, o micro controlador é acionado e as ações

de segurança serão tomadas.

A escolha do sensor de presença deverá ser feito durante a instalação do

sistema, pois devem ser levados em consideração os seguintes aspectos:

Ambiente interno ou externo;

Temperatura do ambiente (Radiação Solar);

Área do Ambiente;

Distúrbios do Ambiente.

- Câmera digital

Quando o sistema estiver em modo de monitoramento será essencial o uso de

uma câmera digital para a aquisição das imagens. Logo após o sensor de presença

detectar a intrusão do ambiente o Raspberry Pi enviará um comando para a câmera

acionando a captura da imagem. De posse desta imagem o Raspberry Pi enviará via

WEB a referente imagem ao Gadget e um sinalização de intrusão.

3.5 TESTES E RESULTADOS

Nesta parte, serão demonstrados os testes realizados para a validação dos

componentes que compõe este projeto.

3.5.1 Teste da Central

O teste da central envolve o funcionamento do Raspberry Pi, a Internet e os

módulos de segurança e potência.

A implementação dos comandos enviados e recebidos do Raspberry Pi foram

implementados em linguagem HTML, PHP e Python.

Este teste consiste em enviar um comando de acender uma lâmpada

remotamente (via aplicação Web) para a central.

O resultado obtido foi satisfatório.

3.5.2 Teste do módulo de potência

Este teste envolve a central, a aplicação web e o módulo de potência.

Para realizar este teste, foi enviado um comando do tipo acender uma lâmpada

remotamente (via Web) para central. O objetivo é que o módulo de potência receba

em sua entrada uma baixa tensão (3,3 V) e chaveie em sua saída uma alta tensão

(127 V) acendendo assim a lâmpada ligada neste módulo.

O resultado obtido foi satisfatório.

3.5.3 Teste do módulo de segurança

Este teste envolve a central, a aplicação Web e o módulo de segurança.

Para realizar este teste, foi simulado uma intrusão para acionar o sensor de

segurança. O objetivo deste teste é fazer o sensor, assim que acionado, disparar um

evento na entrada da porta do Raspberry Pi. A central assim que perceber a intrusão

envia um comando para Câmera Digital para capturar uma foto. Esta foto é postada

na aplicação Web.

O resultado obtido foi satisfatório.

3.5.4 Teste da Página Web

Este teste envolve um dispositivo com acesso a internet.

Para realizar este teste a página que hospeda aplicação foi acessada de dois

diferentes Browsers (Internet Explorer 9 e Google Chrome).

O objetivo deste teste é validar a compatibilidade da aplicação nestes dois

Browsers.

O resultado obtido foi satisfatório. Ilustrado na figura 07 abaixo.

Figura 08 – Aplicação Web

3.5.5 Teste Geral do Projeto

Par finalizar a etapa de testes foi integrado todos os módulos e realizado uma

bateria de eventos que contemplassem todas as etapas do projeto.

A rotina de teste ficou assim:

Acessar a aplicação Web de um disposto com acesso a internet

Servidor ativo

Página Web compatível com o navegador

Enviar uma requisição para a Central

Central processa a informação recebida

Módulos de Potência e/ou Segurança atuando

3.5.6 Testes Caixa Preta e Caixa branca

A seguir são apresentados alguns testes do tipo caixa preta e caixa branca

realizada durante a confecção deste projeto.

A tabela 02 abaixo é composta por Teste, Resultado Esperado e o tipo de Teste

aplicado.

# TESTE RESULTADO

ESPERADO

TIPO

DE

TESTE

RESULTADO

OBTIDO

1 Funcionamento

dos Periféricos

Aparelhos

ligando/desligando

normalmente

Caixa

Preta

Carga ligada

ao circuito

funcionou

2

Funcionamento

do Sensor de

Presença

Sensor se

comunica com

Raspberry Pi

Caixa

Preta

Sensor

enviou sinal

para a

central

3 Funcionamento

Câmera Capturar imagens

Caixa

Preta

Imagem

Capturada

4 IP Fixo

Conseguir

estabelecer um IP

Fixo

Caixa

Branca

Conexão

estabelecida

5 Funcionamento

do aplicativo

Conseguir enviar

comandos para o

Raspberry Pi pela

Internet

Caixa

Branca

Raspberry Pi

interpretou

os comandos

recebidos

6 Funcionamento

dos circuitos

Circuito

Funcionando

Caixa

Branca

Circuito

Funcionando

Tabela 02 – Testes

TESTES – CAIXA PRETA

Neste tipo de teste, é ignorada completamente a estrutura interna tanto do

Hardware como do Software. Para este teste é analisado a saída com relação na

entrada.

Funcionamento dos Periféricos: O objetivo desse teste é fazer que os

periféricos respondessem aos comandos enviados pelo Raspberry Pi. Comandos do

tipo Ligar/Desligar.

Resultado obtido: Os periféricos responderam da forma esperada aos comandos

enviados pelo Raspberry Pi.

Funcionamento do Sensor de Presença: O objetivo desse teste é fazer com

que o Sensor consiga informar o Raspberry Pi em caso de intrusão, para realizar

esse teste conectamos o Sensor ao Raspberry Pi e simulamos uma intrusão no raio

de alcance do sensor.

Resultado obtido: Ao perceber a intrusão, o Sensor de Presença enviou um sinal a

central. Ao receber este sinal o Raspberry interpretou o comando e tomou a ação

esperada.

Funcionamento Câmera: O objetivo desse teste é fazer com que a câmera

se comunique com o Raspberry Pi e que consiga capturar uma imagem, para

realizar esse teste conectamos a câmera ao Raspberry Pi e enviamos o comando de

capturar imagem.

Resultado obtido: Na aplicação Web foi possível ver a foto capturada via comando

ao Raspberry Pi.

TESTES – CAIXA BRANCA

No teste caixa branca são informados os dados de entrada e é analisada a

lógica do software. Quando se trata de Hardware depois de aplicada a entrada é

feita a análise do circuito até a obtenção da saída esperada.

Funcionamento do aplicativo: O objetivo desse teste é ver se o código não

possui falhas. Breakpoints são incluídos no corpo do programa tornando mais fácil a

análise.

Resultado obtido: Nenhum Bug identificado.

Funcionamento dos circuitos: O objetivo desse teste é fazer com que o

Raspberry Pi se comunique com os periféricos que serão ligados e desligados, para

realizar esse teste é necessário o uso de um multímetro para testar as vias de

comunicação do circuito ponto a ponto.

Resultado obtido: Circuito testado e funcionando.

IP Fixo: O objetivo desse teste é configurar um IP fixo para a central. A

configuração do IP é feita via software e a análise é feita dentro das configurações

do modem.

Resultado obtido: IP fixo gerado.

3.6 CONCLUSÃO

Este documento apresentou detalhes sobre o projeto TechHouse, que se trata

de um projeto para automação residencial com uso de Gadgets, o qual visa facilitar

o controle de dispositivos elétricos e eletrônicos para quaisquer tipos de usuários e

principalmente para pessoas com algum tipo de dificuldade de locomoção.

O projeto TechHouse tem como objetivo levar com um preço reduzido

comodidade, conforto e facilidade para as residências. E com isso aumentar o uso

dessa tecnologia que não é vista com tanta frequência no Brasil.

Com a integração dos módulos detectamos que o hardware escolhido para

compor a central, no caso o Arduino Mega, não atenderia as especificações iniciais

do projeto. Visto que para a aquisição de uma foto via web somente com o Arduino e

câmera não é possível. Seria necessária a obtenção de um terceiro módulo

“Arducam”. O Arducam é necessário, pois ele faz a interface entre a câmera OV7670

e o Arduino. Além da interface este modulo também armazena as fotos, devido ao CI

FIFO integrado, já que o Arduino não tem memória suficiente para o

armazenamento. Através de pesquisa de casos de sucesso o resultado da

integração do Arduino Mega, Câmera OV7670 e o módulo Arducam foi possível

observar que mesmo no melhor caso as fotos nunca saem com uma boa qualidade.

Apesar de ter tido gastos com uma nova placa de desenvolvimento o aprendizado foi

válido.

Como tal risco já havia sido estudado, uma medida de contingência foi

tomada. Neste caso, a troca de Hardware da central. Esta medida afeta

severamente o escopo do projeto. Após pesquisa e muito estudo a equipe decidiu

adotar no lugar do Arduino Mega + Ethernet Shield + Câmera OV7670 o uso do

Raspberry Pi + Câmera. O Raspberry Pi atendeu completamente as necessidades

do projeto. Nele já está integrada uma porta Ethernet, necessária para a

comunicação e também um slot para Cartão SD, onde ficam armazenadas as fotos.

Após a integração da nova Central foi possível validar todos os testes e os

resultados obtidos foram satisfatórios.

Apesar das alterações ocorridas e previstas a equipe, no decorrer do ano,

conseguiu concluir este projeto atendendo aos objetivos iniciais.

3.7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1) Wikipédia. Gadget. Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Gadget. Acesso

em: 10 de abril de 2013.

2) Datalink. Sensor de Presença. Disponível em:

http://www.datalink.srv.br/como-funciona-sensor-de-presenca. Acesso em: 11

de abril de 2013.

3) Cellan-Jones, Rory. A 15 pound computer to inspire Young programmers.

Disponível em:

http://www.bbc.co.uk/blogs/thereporters/rorycellanjones/2011/05/a_15_compu

ter_to_inspire_young.html. Acesso em: 5 de maio de 2013.

4) Price, Peter. Can a 15 pound computer solve the programming gap.

Disponível em:

http://news.bbc.co.uk/2/hi/programmes/click_online/9504208.stm. Acesso em:

03 de junho de 2013.

5) Bush, Steve. Dongle computer lets kids discover programming on a tv.

Disponível em: http://www.electronicsweekly.com/news/design/embedded-

systems/dongle-computer-lets-kids-discover-programming-on-a-2011-05/.

Acesso em: 11 de julho de 2013.

6) Lawler, Richard. Pi credit-card sized Linux PCs are on sale now $25.

Disponível em: http://www.engadget.com/. Acesso em: 11 de julho de 2013.

7) Holwerda, Thom. Raspberry Pi To Embrace Risc OS. Disponível em:

http://www.osnews.com/story/25276/Raspberry_Pi_To_Embrace_RISC_OS.

Acesso em: 02/11/2013.

8) Bowater, Donna. Mini Raspberry Pi. Disponível em:

http://www.telegraph.co.uk/technology/news/9112841/Mini-Raspberry-Pi-

computer-goes-on-sale-for-22.html. Acesso em: 29 de julho de 2013.

9) ABrose, Moses. Grand Max. Disponível em:

http://www.grandmax.net/2012/01/broadcom-bcm2835-soc-has-powerful.html.

Acesso em: 13 de julho de 2013.

10) Bowater, Donna. Mini Raspberry Pi. Disponível em:

http://www.telegraph.co.uk/technology/news/9112841/Mini-Raspberry-Pi-

computer-goes-on-sale-for-22.html. Acesso em: 29 de julho de 2013.