Trabalho 1 - 2024-2

1. Objetivos

Este trabalho tem por objetivo a realização de um estudo aplicado ao dispositivo embarcado de fechadura inteligente. A pesquisa visa descrever as principais características do dispositivo, detalhar sua arquitetura de hardware e software, e explorar as funcionalidades disponíveis.

O estudo foi realizado em dupla pelos participantes Artur Seppa Reiman e Pedro Henrique Caldeira de Moraes, com foco em uma análise colaborativa e detalhada do funcionamento técnico e das aplicações práticas da tecnologia no contexto de dispositivos embarcados.

2. Seleção do sistema embarcado

Para este projeto, foi escolhida a fechadura digital de sobrepor do Trabalho de Conclusão de Curso da Escola Técnica Estadual Centro Paula Souza ETEC Trajano Camargo. Este sistema embarcado foi desenvolvido para controle de acesso em residências e apartamentos. Ele utiliza uma senha numérica em um teclado de 16 teclas, conta com biometria e é alimentado por um fonte de 9v e uma pilha, caso falte energia. (SANTOS, Kevin Charles Soares, Márcio Rogério Gomes de OLIVEIRA, and Mateus de Oliveira PEDREIRA, 2023).

A opção por esse modelo se deu por sua simplicidade, bom custo-benefício e aplicabilidade em projetos de controle de acesso que não necessitam de tecnologias complexas, mas que ainda proporcionam um nível adequado de segurança e facilidade de integração.

Figura 1: FECHADURA ELETRÔNICA DE BAIXO CUSTO
Fonte: FECHADURA ELETRÔNICA DE BAIXO CUSTO

3. Informações a serem levantadas sobre o sistema

Listagem de características:

1. Unidade de processamento: Microcontrolador Atmel Atmega 328.

• Especificações: Atmega328 é um microcontrolador de 8 bits, fabricado pela Atmel, com arquitetura AVR. Ele opera com uma frequência de até 16 MHz e possui 32 kB de memória flash (2 kB usados pelo bootloader), 2 kB de SRAM e 1 kB de EEPROM. O microcontrolador conta com 6 canais PWM, USART para comunicação serial, e uma interface SPI para comunicação com periféricos. (ARDUINO, 2024; ALLDATASHEET, 2024).

Figura 2: Datasheet microcontrolador Atmel Atmega 328.
Fonte: AllDatasheet

1. Memória: 2 kB de SRAM Interna / 32 kB de memória flash / 1 kB de EEPROM (ARDUINO, 2024; SANTOS, SOARES, OLIVEIRA, e PEDREIRA, 2023).

• Especificações:
  • SRAM (Static Random Access Memory): O Atmega328 possui 2 kB de SRAM, que é uma memória volátil utilizada para armazenar dados temporários durante a execução de programas.
  • Memória Flash: O microcontrolador conta com 32 kB de memória flash, que é uma memória não-volátil. Isso significa que os dados armazenados nela não são perdidos quando a energia é desligada. A memória flash é utilizada para armazenar o código do programa (firmware) e outras informações permanentes. Desses 32 kB, 2 kB são reservados para o bootloader, que é um pequeno programa que permite a atualização do firmware do microcontrolador.
  • EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory): O Atmega328 possui 1 kB de EEPROM, que também é uma memória não-volátil. A EEPROM permite que dados sejam armazenados e mantidos mesmo quando a alimentação é desligada. É especialmente útil para armazenar configurações ou dados que precisam ser preservados entre reinicializações do sistema.

1. Sistema Operacional:

   3.1 Sem sistema operacional. Utiliza o microcontrolador para efetuar o processamento de instruções e informações da fechadura inteligente. (ARDUINO, 2024; SANTOS, SOARES, OLIVEIRA, e PEDREIRA, 2023).

   

   Figura 3: Microntrolador Arduino Nano.
   Fonte: Arduino.cc

1. Sensores e Atuadores:

   4.1 Sensores:

   • Leitor biométrico DY50: é um sensor óptico projetado para automação residencial e controle de acesso, compatível com plataformas como Arduino. Ele armazena até 162 impressões digitais em sua memória onboard, capturando e pesquisando dados em menos de 1 segundo. Funciona com alimentação de 3,3V DC, consome até 120mA em operação e comunica-se via UART (TTL) ou USB. Possui taxas de erro reduzidas (FAR < 0,001% e FRR < 1,0% no nível de segurança 3), suporte a configurações de baud rate (9600 a 115200bps) e opera em temperaturas de -20 °C a +50 °C com umidade de 40% a 85% RH. (SANTOS, SOARES, OLIVEIRA, e PEDREIRA, 2023)

     

     Figura 4: Leitor biométrico DY50
     Fonte: Piauino

   • Teclado de membrana matricial 4x4: é um componente fino e compacto, fabricado pela Parallax e ideal para projetos com microcontroladores. Ele possui 16 botões, design ultrafino com adesivo para fácil instalação e suporte a interfaces simples de comunicação com microcontroladores. Inclui cabo de conexão e é indicado para aplicações como sistemas de segurança, seleção de menus e entrada de dados em sistemas embarcados. Suporta até 24 VDC e 30 mA, possui interface de 8 pinos e dimensões de 6,9 x 7,6 cm (teclado) e 2,0 x 8,8 cm (cabo), operando em temperaturas de 0 a 50 °C. (PARALLAX, 2024).

     

     Figura 5: Teclado de Membrana Matricial 4x4
     Fonte: Parallax

• Micro Chave para PCI Retentiva: A chave pushbutton quadrada é projetada para montagem em circuito impresso, oferecendo opções de operação momentânea ou retentiva. Ela é fabricada pela Metaltex e possui corrente máxima de 0,3 A a 50 VDC, resistência de contato máxima de 30mΩ e isolação mínima de 100MΩ. Opera em temperaturas de -40°C a 70°C, suporta rigidez dielétrica de AC 250V (60 Hz) por 1 minuto e oferece uma vida útil de até 10.000 operações. A força de operação é de 300±70g, com curso de 1,5±0,2 mm. (METALTEX, 2024)

  

  Figura 6: Micro Chave para PCI Retentiva
  Fonte: Metaltex

  4.2 Atuadores:

  • Micro Servo Motor 9G SG90: Fabricado pela TowerPro, possui dimensões compactas de 23×12,2×29mm, torque de 1,8kg/cm (a 4,8V) e engrenagens de POM de alta durabilidade. Opera em uma tensão de 4,8V, com velocidade de 0,1 segundo por 60 graus e faixa de temperatura de 0°C a 55°C. A largura de banda morta é de 1µs, e o servo possui fio de 25cm e plug JR compatível com sistemas JR e Futaba. (TOWER PRO, 2024)

    

    Figura 7: Micro Servo Motor 9G SG90
    Fonte: Tower Pro

  • Led: O LED PTH 5mm Vermelho com encapsulamento difuso (modelo L621) é fabricado pela Cromatek e oferece alta eficiência luminosa, estabilidade cromática e excelente visibilidade, sendo ideal para sinalizações de advertência e informativas. Fabricado com tecnologia AlGaAs/GaAs, possui campo de visualização padrão, é adequado para montagem PTH (através de furos) e suporta solda à onda. Atende à normativa RoHS, não contendo substâncias nocivas ao meio ambiente. (CROMATEK, 2024)

    

    Figura 8: LED PTH 5mm Vermelho
    Fonte: Cromatek

• Tranca do tipo cremalheira: Fechadura motorizada com sistema de cremalheira e pinhão, convertendo o movimento rotativo de um servo motor padrão (40,8 × 20,1 × 38 mm) em movimento linear. Quando estendida, a cremalheira se encaixa em um suporte fixado à moldura da porta. É compatível com a impressora MakerBot Replicator 2, usando filamento PLA (bronze e prata), com configuração de infill em 35% e resolução de 0,25 mm. (THINGINVERSE, 2024)

  

  Figura 9: Tranca do tipo cremalheira
  Fonte: Thinginverse

  4.3 Conexão com a MCU/MPU:

  • Jumper Wire Male to Female: Fabricado pela Bilda, ele possui uma extremidade com conector TJC8 (MH-FC), compatível com pinos de 2,54 mm (0,1”) ou conectores TJC8 de gênero oposto, enquanto a outra extremidade é equipada com um conector TJC8 (FH-MC), adequado para protoboards ou conectores compatíveis. Especificações: peso de 0,72 g por jumper, bitola 26AWG, revestimento em PVC e fio de cobre trançado (BILDA, 2024).

    

    Figura 10: Jumper Wire Male to Female
    Fonte: Gobilda

1. Interfaces de Comunicação com fio:

   • Mini-B USB: Entrada do Arduino nano utilizada para interface de comunicação com computador e ter acesso a aplicação "Arduino IDE". (ARDUINO, 2024).

   • UART: Protocolo de comunicação assíncrono que oferece comunicação serial, onde o formato dos dados e a velocidade de transmissão podem ser ajustados. A transmissão ocorre bit a bit, do menos significativo ao mais significativo, com bits de início e parada para garantir a sincronização. Ele utiliza apenas três fios: TX (Transmissor) para envio de dados, RX (Receptor) e GND. (ARDUINO, 2024).

   

   Figura 11: Comnunicação UART
   Fonte: Arduino.cc

   • SPI: A porta SPI (Serial Peripheral Interface) do Arduino permite comunicação rápida com dispositivos como o sensor barométrico SCP1000, que mede pressão e temperatura. Por meio de registradores de controle e uma conexão SPI, dados são transmitidos de forma eficiente entre o Arduino e o sensor, oferecendo suporte a diversos periféricos. (ARDUINO, 2024).

   • I2C: Protocolo de comunicação presente no arduino que permite a leitura e envio de dados com componentes externos, como sensores, displays e drivers de motor, utilizando apenas alguns fios. Ele opera com duas linhas: o pino de clock serial (SCL), que fornece pulsos regulares, e o pino de dados serial (SDA), responsável pela troca de informações entre os dispositivos. (ARDUINO, 2024).

     

     Figura 12: I2C Message
     Fonte: Arduino.cc

2. Interfaces de Comunicação sem fio:

   Não especificado.

3. Unidades de Entrada/Saída (I/O):

   7.1 PWM (Pulse Width Modulation):

   • No Arduino Nano é uma técnica utilizada para controlar dispositivos como motores, LEDs e relés. O Arduino Nano, que utiliza o microcontrolador ATmega328, possui 6 pinos PWM (pinos 3, 5, 6, 9, 10, 11), permitindo a modulação do sinal digital para gerar uma saída que simula um sinal analógico. Esses pinos PWM são usados principalmente para:

     1. Controle de velocidade de motores: Através da modulação do ciclo de trabalho (duty cycle), é possível ajustar a quantidade de energia fornecida ao motor, controlando sua velocidade.
     2. Controle de intensidade de LEDs: Pode-se variar a luminosidade de LEDs ajustando a quantidade de tempo que o sinal está "alto" (ligado) durante cada ciclo, criando uma percepção de variação de brilho.
     3. Controle de solenoides e relés: Embora os relés em sistemas como fechaduras eletrônicas frequentemente utilizem sinais digitais (on/off), o PWM pode ser usado para controlar a força ou a suavidade com que o solenoide é ativado.

   • Especificações mais detalhadas podem ser vistas nos links a seguir: - https://docs.arduino.cc/hardware/nano/#tech-specs - https://docs.arduino.cc/tutorials/generic/secrets-of-arduino-pwm/

     

     Figura 13: PWM
     Fonte: Arduino.cc

8.1 Tipos:

• Fonte de 9V: adaptador de alimentação projetado para fornecer energia à fechadura eletrônica, operando com uma tensão de entrada entre 100V AC e 240V AC, o que a torna compatível com tomadas de 110V e 220V. Com saída de 9V DC e corrente de 1A, possui características como plug P4 (5,5mm x 2,1mm), LED indicador de funcionamento, cabo de 85cm, e construção em metal e termoplásticos. Compacta e leve, mede 28mm x 75mm x 78mm e pesa 61g, sendo uma solução prática e substituível em caso de falhas.

Figura 14: Fonte de Energia
Fonte: Eletromega

• Bateria de 9V: essencial para garantir o funcionamento da fechadura eletrônica durante quedas de energia, permitindo manter os dados de impressão digital armazenados de forma segura. Deve ser substituída anualmente para assegurar sua eficiência, sendo uma solução prática e confiável para continuidade operacional em casos de interrupções no fornecimento elétrico.

  

  Figura 15: Bateria de 9v
  Fonte: Informatica

8.2 Gerenciamento de Energia (PMIC):

• O gerenciamento de energia é crucial em sistemas embarcados, especialmente para prolongar a vida útil da bateria. Um PMIC (Power Management Integrated Circuit) pode ser utilizado para regular e distribuir energia entre os componentes da fechadura eletrônica, ajustando a tensão conforme necessário. Ele pode também otimizar o consumo de energia, garantindo que a fechadura consuma energia apenas quando necessário, como durante a autenticação ou operação de desbloqueio. Esse controle reduz o consumo ocioso e melhora a eficiência energética.

8.3 Backup de Energia:

• Em sistemas críticos de segurança, como as fechaduras eletrônicas, é importante garantir que a operação seja mantida mesmo em caso de falha na fonte principal de alimentação. Capacitores ou baterias de backup podem ser usados para garantir que a fechadura continue funcionando por um curto período durante uma queda de energia, permitindo que a operação de desbloqueio seja realizada até que a energia principal seja restaurada. Isso também assegura a preservação de dados sensíveis, como configurações e registros de acessos.

8.4 Circuitos de reset:

• Os circuitos de reset são fundamentais para garantir que a fechadura eletrônica seja inicializada corretamente. Em sistemas embarcados, esses circuitos monitoram a alimentação e garantem que o sistema seja reiniciado corretamente em caso de falhas ou quedas de energia. Isso evita que o sistema entre em um estado inconsistente, o que poderia comprometer a segurança e o funcionamento do dispositivo.

8.5 Supervisores de Energia:

• Os supervisores de energia monitoram constantemente a voltagem de alimentação da fechadura eletrônica. Caso uma queda de tensão comprometa a operação dos circuitos internos, os supervisores de energia podem reiniciar o sistema automaticamente, garantindo que a integridade do funcionamento seja mantida. Eles são essenciais para sistemas que exigem alta confiabilidade, como as fechaduras eletrônicas, que devem funcionar corretamente mesmo em condições de energia instáveis.

1. Firmware e Atualizações:

   9.1 Firmware: O Firmware foi escrito em C++, e fica armazenado no arduino.

2. Interface com o Usuário (UI):

   10.1 Displays: Foi utilizado um LED para feedback visual para o usuário, como mostrado anteriormente no Tópico 4.2.

   10.2 Botões: Teclado de membrana matricial que possui 16 botões, design ultrafino com adesivo para fácil instalação e suporte a interfaces simples de comunicação com microcontroladores como mostrado no Tópico 4.2.

4. Artigos acadêmicos relacionados

5. Produtos relacionados

1. Sistemas de controle de acesso (RFID/NFC):

   • Usam microcontroladores e firmware para identificar cartões ou dispositivos via NFC/RFID para desbloqueio, similar a fechaduras inteligentes que dependem de tecnologia de autenticação embarcada.

2. Termostatos inteligentes:

   • Equipados com microcontroladores para automação de temperatura, controlam sistemas de aquecimento e resfriamento através de PWM para controle de ventiladores e aquecedores.

3. Interruptores de luz inteligentes:

   • Usam microcontroladores embarcados para comunicação com redes Wi-Fi ou Zigbee, e controlam circuitos de iluminação através de PWM para ajuste de brilho.

4. Sistemas de controle de portões automáticos:

   • Microcontroladores controlam o movimento do portão, motores e sensores, utilizando PWM para ajuste de velocidade e segurança.

5. echaduras de porta automáticas para veículos:

   • Fechaduras que usam RFID, controle de acesso e motores elétricos com PWM, controlados por microcontroladores e firmware para garantir a segurança e automação.

6. Formato da Entrega

O trabalho deve ser todo elaborado em um repositório (git) como fork deste repositório e todo o conteúdo deve estar em Markdown.

Data de Entrega: 05/12/2024

Critérios de Avaliação