Análise de arquiteturas e desenvolvimento de uma plataforma para residências inteligentes por Caio Augustus Morais Bolzani - Versão HTML

ATENÇÃO: Esta é apenas uma visualização em HTML e alguns elementos como links e números de página podem estar incorretos.
Faça o download do livro em PDF, ePub para obter uma versão completa.

Caio Augustus Morais Bolzani

Análise de Arquiteturas e Desenvolvimento de uma

Plataforma para Residências Inteligentes

Tese apresentada à Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo para a obtenção

do título de Doutor em Engenharia Elétrica

São Paulo

2010

Caio Augustus Morais Bolzani

Análise de Arquiteturas e Desenvolvimento de uma

Plataforma para Residências Inteligentes

Tese apresentada à Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo para a obtenção

do título de Doutor em Engenharia Elétrica

Área de concentração:

Sistemas Eletrônicos

Orientador:

Prof. Dr. Marcio Lobo Netto

São Paulo

2010

Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio conven-

cional ou eletrônico, para fins de estudo e pesquisa, desde que citada a fonte.

Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob respon-

sabilidade única do autor e com anuência de seu orientador.

São Paulo, 10 de janeiro de 2010.

Caio Augustus Morais Bolzani

Prof. Dr. Marcio Lobo Netto

FICHA CATALOGRÁFICA

Bolzani, Caio Augustus Morais

Análise de Arquiteturas e Desenvolvimento de uma Plataforma para

Residências Inteligentes – Edição Revisada – São Paulo, 2010.

155 p.

Tese ( Doutorado ) - Escola Politécnica da Universidade de São

Paulo. Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos

1.Automação Predial 2.Residência Domiciliar 3.Sistemas de con-

trole I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento

de Engenharia de Sistemas Eletrônicos II.t.

Aos meus pais

AGRADECIMENTOS

Agradeço aos meus pais, Elio e Beatriz, e à minha irmã Claudia por todo o amor e suporte que

recebi para enfrentar essa jornada.

Agradeço ao meu orientador, Prof. Marcio, por ter acreditado no meu trabalho, pela paciência

e apoio ao longo destes anos.

Agradeço aos Profs. José Roberto Amazonas, Ricardo Paulino Marques e Fuad Kassab Jr. por

todo o apoio e incentivo.

Agradeço a todos os meus amigos da Poli, em especial ao Cristian Montagnoli, Eugênia Mattos,

Herbert Camargo e Alberto Nakano pela amizade e pelos inúmeros bate papos que tornaram

esses anos muito mais divertidos.

Agradeço ao Antonio Selvatici pelo auxílio na programação dos módulos.

Agradeço à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) pelo auxílio para

o desenvolvimento da plataforma (Projeto PIPE 2007/51787-0).

RESUMO

No início do século XX, poucas décadas depois do início da eletrificação das casas, o

conceito de uma residência automatizada já era utilizado como símbolo de um futuro livre das

tarefas domésticas. No entanto, mesmo com o desenvolvimento de tecnologias de suporte, a au-

tomação de residências nunca contemplou uma ampla disseminação e uso. Este trabalho realiza

uma análise – social, econômica, tecnológica, cultural e de saúde – da sociedade, desde o início

do século XX até os dias atuais, para entender o comportamento humano relativo ao ambiente

residencial e identificar as possíveis causas que não favoreceram a implantação de sistemas de

controle e automação nestes ambientes. Ele ainda propõe uma arquitetura de sistemas eletrôni-

cos e computacionais para o ambiente residencial, baseada em um conjunto de requerimentos

e de abstrações coerentes com o contexto socioeconômico vigente e factível diante das atuais

disponibilidades tecnológicas, a fim de direcionar os esforços na área e fomentar o desenvol-

vimento de aplicações. Adicionalmente, é apresentada uma plataforma de desenvolvimento –

hardware, firmware e software –, denominada Home Sapiens, cuja concepção, projeto e desen-

volvimento foram feitos no contexto desta tese. Baseada em nós de controle distribuídos, ela

permite o acesso aos dados provenientes de sensores, a geração de informações de contexto, a

identificação de serviços e a manipulação das características do ambiente residencial segundo

regras de decisão, planejamento e métodos de aprendizado baseados em técnicas de Inteligência

Artificial.

Palavras-chave: Domótica. Automação Residencial. Sistemas de Controle Residenciais.

Orientação ao Contexto. Redes de Sensores sem Fio. Zigbee. Home Sapiens.

ABSTRACT

In the early twentieth century, a few decades after the beginning of the electrification of

houses, the concept of an automated home was used as a symbol of a future free of domes-

tic chores. However, even with the development of supporting technologies, the automation

of homes never contemplated a wide dissemination and use. This paper presents an analysis

– social, economic, technological, cultural and health – of society, from the early twentieth

century to the present day, to understand human behavior on the residential environment and

to identify possible causes that did not favor deployment of control systems and automation in

these environments. It also proposes an architecture of computer and electronic systems for

the residential environment, based on a set of applications and abstractions consistent with the

current socioeconomic context and feasible under the available technology in order to direct

efforts in the area and promote the development of applications. Additionally, the implemen-

tation of a framework – hardware, firmware and software – called Home Sapiens is presented,

whose conception, design and development were made in the context of this thesis. Based on

distributed control nodes, it provides access to data from sensors, the generation of information

of context, the identification of services and handling characteristics of the residential environment in accordance with rules of decision, planning and learning methods based on Artificial

Intelligence.

Keywords: Domotics. Home Automation. Home Control Systems. Context-aware Sys-

tems. Wireless Sensor Networks. Zigbee. Home Sapiens.

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANAT EL

Agência Nacional de Telecomunicações

AT M

Asynchronous Transfer Mode

BAN

Body Area Network

CEBus

Consumer Electronic Bus

DI

Dispositivo Inteligente

DQDB

Distributed Queue Data Bus

EHSA

European Home Systems Association

EIA

Electronic Industries Alliance

FDDI

Fiber Distributed Data Interface

HBS

Home Bus System

HVAC

Heating, Ventilation, Air Conditioning

ISTAG

Information Society Technology Advisory Group

LAN

Local Area Network

MAN

Metropolitan Area Network

NAHB

National Association of Home Builders

PAN

Personal Area Network

PLC

Powerline Communication

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

SHBS

Super HomeBus System

SMDS

Switched Multimegabit Data Service

SONET

Synchronous Optical Networking

WAN

Wide Area Network

LISTA DE FIGURAS

1

A Domótica, seus componentes e sua relação com outras ciências

. . . . . . .

17

2

Nó de controle IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

3

Diagrama geral do sistema desenvolvido.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

4

Diagrama simplificado da arquitetura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

5

Diagrama de componentes do nó de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

6

Modelos de redes de comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

7

Estrutura de clusters ZigBee (Munk-Stander M.S. (2005)) . . . . . . . . . . . .

94

8

Categorias de contexto (Zimmer (2004)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

9

Modelo hierárquico para a detecção de atividades e ativação de atuadores

. . . 113

10

Hierarquia de objetos do Context Toolkit (Dey, Salber e Abowd (2001)) . . . . 114

11

Modelo de gerenciador de contexto (Zhang et al. (2006)) . . . . . . . . . . . . 114

12

Diagrama de blocos do Home Sapiens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

13

Nó de controle ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

14

Pacote de dados para a comunicação serial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

15

Interface gráfica do Home Sapiens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

16

Interface gráfica sendo utilizada em uma tela de toque . . . . . . . . . . . . . . 133

17

Detalhes do nó de interface e nó de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

18

Teste da comunicação serial

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

19

Teste da leitura dos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

20

Teste do sistema completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

LISTA DE TABELAS

1

Classificação de residências quanto ao nível de controle . . . . . . . . . . . . .

30

2

Sistemas de controle

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

3

Associação do nó com o local e com sua lista de transdutores . . . . . . . . . . 103

SUMÁRIO

1

Introdução

15