# Trabalho 2 - 2025-2 - Varal Retrátil Automatizado com Sensores Ambientais ## Integrantes | Nome | Matrícula | | ------------------------------------- | ----------- | | Guilherme Meister Correa | 202016382 | | Luiz Gustavo Lopes Campos | 180023179 | | Pedro Lucas Figueiredo Santana | 202017049 | | Samuel Alves Silva | 202063462 | --- ## 1. Descrição do Produto Selecionado A automação residencial tem evoluído significativamente nas últimas décadas, transformando tarefas domésticas em processos inteligentes. O varal de roupas, presente em residências há séculos, passou a integrar esse movimento com o surgimento de tecnologias IoT, sensores ambientais e microcontroladores acessíveis, como o ESP32.
Varal Manual
Figura 1: Varal Manual Tradicional
O Varal Retrátil Automatizado tem como principal função proteger roupas contra intempéries, realizando ações automáticas baseadas em dados de sensores ambientais. Além disso, permite monitoramento e controle remoto, alertas climáticos, maior comodidade a pessoas idosas ou de mobilidade reduzida e contribui para economia de energia ao reduzir o uso de secadoras elétricas. O modelo em estudo é um sistema IoT baseado no ESP32, com sensores de chuva, pressão, luminosidade, temperatura, atuadores, conectividade Wi-Fi/Bluetooth e interface local via display OLED. ### Público-alvo e Aplicações - Famílias em regiões úmidas ou de alta incidência de chuvas. - Pessoas com mobilidade reduzida e idosos (autonomia e segurança). - Residências preocupadas com sustentabilidade e economia. - Instituições de ensino para fins didáticos (exemplo: projetos de casa inteligente). ### Contexto de uso - Automação doméstica e educação tecnológica, com ênfase na replicação usando componentes nacionais de baixo custo. --- ## 2. Análise Técnica do Funcionamento ### Principais módulos do sistema - **Módulo de Sensoriamento Ambiental:** - BMP280 (Pressão/Temperatura via I2C), - Sensor de Chuva (analógico/digital), - Fotoresistor LDR (luminosidade - analógico), - DS18B20 (temperatura digital OneWire). - **Módulo de Controle e Processamento:** - ESP32-WROOM-32 (Microcontrolador dual-core, 240 MHz, FreeRTOS multitasking). - Algoritmo baseado em máquina de estados finitos/priorização de eventos críticos. - **Módulo de Atuação Mecânica:** - Motor DC 12V, Driver L298N (PWM/DIR), Relé 2 canais (acionamentos auxiliares), engrenagens redutoras. - **Interface Usuário e Indicadores:** - Display OLED 0.96" I2C, LEDs RGB, buzzer. - **Conectividade:** - Wi-Fi 802.11 b/g/n, Bluetooth 4.2 BLE, protocolo MQTT (ThingsBoard), dashboard web e notificações push. ### Tecnologias críticas - **Protocolos sem fio:** Wi-Fi e BLE para comunicação e configuração. - **Sistema operacional embarcado:** FreeRTOS (gerenciamento de multitarefas/baixo consumo). - **Barramentos:** I2C (sensores/display), OneWire (DS18B20). - **Técnicas de economia de energia:** Deep Sleep reduzindo consumo de 240mA para 10µA entre leituras/ações. - **MQTT:** Telemetria e comandos remotos. - **PWM:** Controle preciso de motores. --- ## 3. Proposta de Reprodução com ESP32 ### Implementação Conceitual A reprodução utiliza o ESP32-WROOM-32 como controlador principal, sensores BMP280, DS18B20, LDR, sensor de chuva e driver L298N, relé, display OLED. O software utiliza FreeRTOS com tarefas para leitura sensorial, controle de motores, conexão e interface MQTT, priorização de eventos críticos (chuva, vento, comandos manuais). ### Diagrama Conceitual ``` ┌─────────────────┐ I2C Bus ┌─────────────┐ │ ESP32-WROOM │◄─────────────►│ BMP280 │ │ -32 │ │(Pressão/Temp)│ │ │ └─────────────┘ │ ┌───────────┐ │ OneWire ┌─────────────┐ │ │ FreeRTOS │ │◄─────────────►│ DS18B20 │ │ │ Tasks │ │ │(Temperatura)│ │ └───────────┘ │ └─────────────┘ │ │ Analog ┌─────────────┐ │ ┌─────────┐ │◄─────────────►│Sensor Chuva │ │ │ Wi-Fi │ │ │ LM393 │ │ └─────────┘ │ └─────────────┘ │ │ Analog ┌─────────────┐ │ │◄─────────────►│ LDR │ └─────────┬───────┘ │(Luminosidade)│ │ └─────────────┘ MQTT/ThingsBoard ┌─────────────┐ │ PWM/DIR │ L298N │ └──────────────────────►│ Motor │ │ Driver │ └─────┬───────┘ │ ┌─────────────┐ │ Motor DC │ │ 12V - Varal│ └─────────────┘ ``` ### Especificação das Conexões ``` ESP32 WROOM-32 Pinout: GPIO21 (SDA) ← BMP280, Display (I2C) GPIO22 (SCL) ← BMP280, Display (I2C) GPIO34 ← Sensor de Chuva (Analógico) GPIO35 ← LDR (Analógico) GPIO4 ← DS18B20 (OneWire) GPIO18 → Motor PWM A (L298N) GPIO19 → Motor PWM B (L298N) GPIO5 → Motor DIR A (L298N) GPIO17 → Motor DIR B (L298N) ``` ### Algoritmo de Controle (Machine State) - **IDLE:** Monitoramento contínuo dos sensores. - **RETRACTING:** Recolhe varal por detecção de chuva ou vento forte. - **EXTENDING:** Estende varal com condições favoráveis. - **MANUAL:** Controle remoto via dashboard. - **ERROR:** Emite notificação/alerta e trava o sistema para diagnóstico. **Prioridade das Decisões:** 1. Chuva detectada → Recolhimento imediato. 2. Pressão < 1010 hPa → Previsão de chuva. 3. LDR < 200 lux → Noite. 4. Temperatura < 15°C → Condições desfavoráveis. 5. Comando manual → Override automático. --- ## Análise Técnica do Funcionamento ### Módulos do Sistema

O varal retrátil automatizado é composto por módulos integrados que trabalham de forma coordenada:

#### Módulo de Sensoriamento Ambiental

- **Sensor de Pressão e Temperatura BMP280 (I2C)**: Sensor digital que monitora pressão atmosférica (300-1100 hPa) e temperatura (-40°C a +85°C) via protocolo I2C. Permite detecção de mudanças climáticas por variações bruscas de pressão. - **Sensor de Chuva**: Sensor analógico/digital para detecção de precipitação com threshold configurável, essencial para recolhimento automático do varal. - **Sensor Foto Resistor (LDR) - Analógico**: Fotoresistor que varia resistência conforme luminosidade ambiente (1kΩ - 1MΩ). Permite automação baseada em ciclos dia/noite. - **Sensor de Temperatura Digital DS18B20**: Sensor digital de temperatura de alta precisão (±0.5°C) com protocolo OneWire, ideal para medições ambientais externas.

#### Módulo de Controle e Processamento

- **ESP32-WROOM-32**: Microcontrolador dual-core (240MHz) com Wi-Fi integrado executando FreeRTOS para multitasking entre aquisição de dados, processamento de algoritmos de decisão e comunicação IoT. - **Algoritmo de Decisão**: Implementa máquina de estados finitos com priorização de eventos críticos (chuva > vento forte > programação horária > luz solar).

#### Módulo de Atuação Mecânica

- **Motor DC 12V**: Acionamento bidirecional controlado pelo Driver para motores L298N para extensão/retração do varal com controle de velocidade por PWM. - **Relé de 2 Canais**: Controle de dispositivos auxiliares como alimentação do motor e sistemas de segurança. - **Sistema de Transmissão**: Engrenagem redutora para aumentar torque e precisão de posicionamento.

### Conectividade e Interface

- **Comunicação MQTT**: Protocolo lightweight para envio de telemetria e recebimento de comandos via broker ThingsBoard. - **Dashboard Web**: Interface responsiva para monitoramento em tempo real e controle manual remoto. - **Notificações Push**: Alertas automáticos para eventos críticos como chuva detectada ou falhas de sistema.

### Tecnologias Críticas

- **FreeRTOS**: Gerenciamento de tarefas concorrentes (sensor reading, MQTT communication, motor control) com prioridades definidas. - **Protocolo I2C**: Barramento serial para comunicação eficiente com múltiplos sensores usando apenas 2 fios (SDA/SCL). - **PWM (Pulse Width Modulation)**: Controle preciso de velocidade do motor DC através de modulação da largura de pulso. - **Deep Sleep Mode**: Redução de consumo energético de 240mA para 10µA durante períodos de inatividade.

--- ### Interface com o Usuário #### Display Local

O sistema possui um **display OLED 0.96" monocromático** com as seguintes características: - **Tipo**: OLED com pixels auto-iluminados - **Tamanho**: 0.96 polegadas - **Resolução**: 128 × 64 pixels - **Interface**: I2C (SDA/SCL)

Display OLED
Figura 2: Display OLED 0.96" I2C
Fonte: Display OLED

#### Indicadores e Controles

Além do display, o sistema também possui **LEDs RGB** para indicação de status, que oferecem feedback visual imediato sobre o estado operacional. São utilizadas as seguintes cores: - **Verde** – varal estendido, condições favoráveis - **Vermelho** – varal retraído, chuva detectada - **Azul** – modo manual ativo - **Amarelo** – conectando Wi-Fi/MQTT O sistema também inclui **buzzer ativo** para alertas sonoros de mudanças climáticas importantes. **Fontes**: [ESP32 GPIO Guide](https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/esp32/api-reference/peripherals/gpio.html)

**Fontes:** - SSD1306 OLED Display Datasheet ### Unidades de Entrada/Saída (I/O) **GPIO (General Purpose Input/Output)**: O ESP32 disponibiliza 34 pinos GPIO configuráveis, utilizados no projeto para: - Leitura analógica do LDR (ADC1) - Comunicação I2C com BMP280 e OLED (SDA/SCL) - Controle PWM do motor via L298N - Leitura digital do sensor de chuva e reed switches - Controle de LEDs RGB e buzzer --- ### Limitações e Desafios de Implementação #### Limitações Técnicas - **Precisão dos sensores:** Sensores de baixo custo podem apresentar imprecisão, especialmente em ambientes expostos. - **Alimentação energética:** Dependência da rede elétrica sem fonte de backup limita confiabilidade. - **Ação restrita a sensores locais:** Não usa dados climáticos externos (exemplo: APIs meteorológicas), podendo agir tardiamente em eventos de chuva intensa. - **Motor/Mecânica:** Motores DC de baixo custo podem desgastar em ambientes úmidos. #### Desafios de Implementação - **Impermeabilização e proteção dos sensores/atuadores em ambiente externo.** - **Integração confiável dos sensores e de todas as rotinas do FreeRTOS com prioridade realista para eventos críticos.** - **Sincronização entre comandos manuais e operação automática para evitar conflitos.** - **Configuração/manutenção:** Garantir facilidade de instalação para o usuário final. #### Soluções Propostas - Utilizar métodos de calibração periódica dos sensores. - Projetar caixas estanques para eletrônica e motor. - Implementar watchdog para reinício em caso de falha. - Documentação clara e aplicações exemplo para facilitar instalação e uso. - Fonte ou bateria auxiliar para garantir operação em caso de queda de energia. --- ## 4. Pesquisa Bibliográfica e Tecnológica (Resumos dos Artigos) **Tópico: Tecnologias de Sistemas Embarcados** 1. **IoT-Based Smart Home Automation Systems** O artigo apresenta uma análise abrangente de sistemas de automação residencial por IoT, evidenciando o impacto que microcontroladores como o ESP32 têm na eficiência energética, conectividade e redução no uso de secadoras ao priorizar secagem natural automatizada. Valida também o uso de sensores ambientais combinados e integração com plataformas modernas. *Aplicação: demonstra a viabilidade e ganhos de sistemas como o varal retrátil automatizado*. 2. **Weather-Based Automatic Drying Systems** Este estudo revisa algoritmos de decisão climática (fuzzy, árvores de decisão) e compara sensores simples a estações meteorológicas, mostrando precisão suficiente para automação doméstica com componentes de baixo custo. *Aplicação: fundamenta as escolhas do projeto no controle climático automático do varal*. 3. **Automação Residencial com ESP32: Controle pela Web** O artigo mostra implementação prática de controle residencial via ESP32, usando sensores ambientais e interface web local, descrevendo ligação de relés, sensores e o uso de HTML embarcado. *Aplicação: oferece referência direta para a arquitetura web/dashboard e conexões físicas propostas*. 4. **Varal Inteligente – Um Tipo de Sistema de Automação Residencial** Apresenta protótipo de varal automatizado com Arduino, mostrando que automação residencial facilita tarefas diárias e pode ser viável tecnicamente e financeiramente para uso comum. *Aplicação: referencia a transposição da ideia para ecossistemas ESP32, reforçando conceitos educacionais, automação de rotina e replicabilidade*. **Tópico: Aplicações de Produto** 5. **Energy Efficiency in Smart Residential Buildings** Demonstra redução de até 60% no uso de secadora, economia financeira e sustentabilidade ambiental ao se empregar automação em varais, quantificando benefícios reais em larga escala. *Aplicação: reforça impacto social e ambiental dos sistemas automatizados*. 6. **Automatic Home Systems for Elderly and Disabled Care** Analisa como automação de tarefas rotineiras torna idosos/PCDs mais independentes e seguros. Aprovação alta entre esse público valida o enfoque social do projeto. *Aplicação: destaca benefícios específicos a públicos com mobilidade reduzida*. 7. **IoT no Monitoramento Ambiental: Proteção Inteligente do Meio Ambiente** Aborda sensores IoT em monitoramento ambiental, incluindo poluentes em tempo real, dashboards responsivos e aplicações domésticas semelhantes ao varal automatizado. *Aplicação: indica potencial para futuras aplicações ambientais colaborativas*. 8. **Casa Inteligente - Varal Inteligente: Material Educacional** Material didático validando a abordagem do varal como ferramenta para ensino prático de automação, programação e IoT para ensino fundamental. *Aplicação: mostra uso do protótipo para formação de base tecnológica em escolas*. --- ## 5. Comparativo com Produtos Similares | Produto | Fabricante | Ano | Processador | Tipo | Conectividade | Sensores | Automação | Outras características | Custo | |------------------------------|--------------------|------|-----------------|--------------------|------------------|-----------------|------------------|----------------------------------------|---------| | **Varal Automatizado** | **Projeto Acadêmico** | 2025 | **ESP32** | **Sistema IoT** | **Wi-Fi, MQTT** | **Múltiplos** | **Completa** | Display, buzzer, dashboard, baixo custo| R$ 40 | | Leifheit LinoPop-Up | Leifheit | 2022 | Mecânico | Varal Pop-up | Nenhuma | Nenhum | Parcial | Fechamento manual, aço inox | R$ 475 | | Austral Retractaway | Austral | 2019 | Manual | Varal Retrátil | Nenhuma | Nenhum | Nenhuma | 28m de corda, estrutura galvanizada | R$ 780 | | Hills Hoist Rotary | Hills | 2020 | Manual | Varal Rotativo | Nenhuma | Nenhum | Nenhuma | 57m de secagem, altura regulável | R$ 450 | | SensorPush HT1 | SensorPush | 2019 | Proprietário | Monitor | Bluetooth | Temp/Umidade | Nenhuma | Apenas monitoramento, app móvel | R$ 150 | | Sonoff Basic R2 | ITEAD | 2018 | ESP8266 | Relé Inteligente | Wi-Fi | Nenhum | Básica | Controle remoto, sem sensores ambientais| R$ 25 | --- ## 6. Referências > ESP32 Technical Reference Manual. Espressif Systems. Disponível em: https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_technical_reference_manual_en.pdf. > ThingsBoard Community Edition Documentation. Disponível em: https://thingsboard.io/docs/. > BMP280 Digital Pressure Sensor Datasheet. Bosch Sensortec. Disponível em: https://www.bosch-sensortec.com/products/environmental-sensors/pressure-sensors/bmp280/. > DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer. Maxim Integrated. Disponível em: https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf. > FreeRTOS Real Time Operating System. Disponível em: https://www.freertos.org/. > IEEE Access. IoT-Based Smart Home Automation Systems. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/8768884. > Journal of Ambient Intelligence and Humanized Computing. Weather-Based Automatic Drying Systems. Disponível em: https://link.springer.com/article/10.1007/s12652-020-02315-6. > Computer Networks. MQTT Protocol Performance in IoT Applications. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1389128618310806. > OLIVEIRA, Kleygston Torres de; RODRIGUES, Jhones da Rocha; LOUREIRO, Wendel Solano; DIAS, Márcio José; CARNEIRO, Marcidis Humberto. Varal Inteligente – Um Tipo de Sistema de Automação Residencial. RevistaES, v. 1, n. 75, 2023. Disponível em: https://zenodo.org/records/8365023. > Energy and Buildings. Energy Efficiency in Smart Residential Buildings. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378778819315779. > Assistive Technology. Automatic Home Systems for Elderly Care. Disponível em: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/10400435.2020.1813053. > Environmental Monitoring and Assessment. IoT Sensors for Environmental Monitoring. Disponível em: https://www.mdpi.com/2071-1050/12/9/3684. > ESCOLA DIGITAL PARANÁ. Casa Inteligente - Varal Inteligente: Material Educacional. Versão Prévia. Curitiba: Secretaria da Educação e do Esporte do Paraná, out. 2025. Disponível em: https://aluno.escoladigital.pr.gov.br/sites/alunos/arquivos_restritos/files/documento/2025-10/aula21_casa_inteligente_varal_inteligente_ef2_m4_versao_previa.pdf. ---