Automação Residencial Inteligente com Raspberry Pi 2 e Windows 10 IoT

Componentes e Materiais

Componente	Quantidade	Observações
Arduino UNO	1 por cômodo	Para cada cômodo a automatizar, use um Arduino UNO separado.
Raspberry Pi 2 Model B	1
Jumpers (genéricos)	1
Protoboard (genérica)	1
LDR (Resistor Dependente de Luz)	1	Fornece leituras de tensão diferentes para intensidades de luz diferentes.
Sensor PIR de Movimento	1	IR passivo detecta presença humana.
Relé (genérico)	Conforme necessário	Número de relés = número de dispositivos a controlar.
Contator Siemens (3TF32 00-0AP0)	1	Para controlar bomba d'água até 16A 415VAC. Bobina 250VAC.
Disjuntor Miniatura (1P C16A)	1	Protege bomba d'água de falhas elétricas e sobrecarga.

Aplicativos e Serviços Online

• Arduino IDE - Para escrever firmware do Arduino
• Microsoft Visual Studio 2015 (Community Edition - grátis para até 5 usuários)
• Microsoft Windows 10 IoT Core - SO principal, controla dispositivos via Arduino e fornece console de gerenciamento

Sobre o Projeto

Na era atual, a tecnologia pode melhorar a vida humana. A automação era ficção científica, mas não mais. Combinando tecnologia mais recente com a casa, podemos construir um sistema incrível. Com Raspberry Pi e Windows 10, podemos criar um sistema de automação residencial capaz de operar dispositivos domésticos automaticamente.

Primeiros Passos

Antes de começar, vamos entender o básico. Considere a imagem a seguir (Configuração Geral):

Configuração por Cômodo

Um Arduino UNO controla dispositivos e lê sensores. Periodicamente, o Raspberry Pi solicita dados dos sensores coletados pelo Arduino. A figura "Arquitetura do Cômodo" mostra como o Arduino conecta dispositivos e sensores. Cada cômodo tem múltiplos dispositivos controláveis (luzes, ventilador, tomadas), um PIR (detecta presença), um sensor de temperatura (LM35) e um LDR (detecta intensidade de luz na janela).

Mapeamento de Endereços dos Dispositivos

A parte mais importante: como identificar dispositivos? Simples: combinamos número do cômodo com número do dispositivo.

Resumindo: Raspberry Pi atua como controlador principal. Cada cômodo tem seu Arduino UNO como escravo do Raspberry Pi. Comunicação via I2C.

Esquemáticos

Para facilitar, vamos implementar para o primeiro cômodo. Consulte o esquemático para conectar componentes corretamente.

Barramento I2C: Para conectar mais de um Arduino, use barramento I2C como mostrado abaixo.

Como Ligar Dispositivo na Placa Relé

Software

Projeto consiste em Raspberry Pi 2 e Arduino UNO. Software do Pi desenvolvido no Visual Studio 2015. Assumo que o leitor saiba criar projetos para Raspberry Pi 2 no VS 2015, e tenha conhecimento intermediário de Arduino, C# e Windows Universal XAML.

Vamos entender o software em:

• Protocolo (Como Raspberry Pi 2 e Arduino conversam)
• Estrutura de Classes (Como o Pi mantém objetos complexos)
• Interface do Usuário (Wireframe)

Protocolo (Comunicação Raspberry Pi 2 e Arduino via I2C)

Objetivos da comunicação:

• Ler sensores
• Ler estado dos dispositivos
• Definir estado dos dispositivos

Protocolo define regras de comunicação no barramento. Bytes de envio: 3 bytes fixos. Bytes de recebimento: array de 14 bytes.

Classe 'I2C_Helper' implementa o protocolo no projeto Universal App do Pi. No lado Arduino, a biblioteca I2C é fácil de entender.

Estrutura de Classes (Como o Raspberry Pi 2 Mantém Objetos)

Casa → múltiplos Cômodos → múltiplos Dispositivos + Sensores.

Classe principal "Home" contém lista genérica de cômodos (List<Room>). Fornece métodos estáticos para carregar/salvar objeto home no Pi.

Cômodo contém lista de dispositivos (List<Device>) e estrutura de sensores. Dispositivo tem detalhes e funções liga/desliga via protocolo Modo 2. Classes AmbientLight, PassiveIR e Temperature acessam dados ambientais. Objeto Room mantém dados dos sensores e atualiza periodicamente via protocolo Modo 0.

Interface do Usuário

Objetivos principais: Gerenciamento de Cômodos, Gerenciamento de Dispositivos, Serviços Externos (GSM, Internet).

Dividido em:

• Página Inicial: Status básico, data/hora, trava
• Dispositivos Favoritos: Acesso direto
• Página de Cômodos: Acesso a cômodos configurados e seus dispositivos
• Dispositivos de Água Comuns: Bomba d'água e aquecedor
• Configurações: Gerenciamento de cômodos e dispositivos

Wireframe

Baseado no wireframe, desenvolvi a UI mostrada a seguir. Código fonte completo disponível para download.

Como Configurar

Tentei tornar o software o mais fácil possível. Com configuração mínima, você opera dispositivos diretamente. Passo a passo:

Como Controlar Bomba d'Água e Aquecedor

Conecte bomba/aquecedor da mesma forma que outros dispositivos. Mas NÃO conecte diretamente na placa relé - vai queimar e é perigoso.

Use um contator: conecte a bomba/aquecedor ao contator e a bobina do contator à placa relé. Ao acionar o dispositivo, o relé ativa a bobina do contator e a bomba/aquecedor liga/desliga. Verifique a classificação da bobina e do contator. Compre contator com classificação ligeiramente superior à da bomba.

Como Implantar no Raspberry Pi 2

Consulte este link para entender o processo de implantação.

Como Registrar como App de Inicialização

Muitos hobbyistas querem o app iniciando logo após boot do Pi. Leia meu artigo: "Windows 10 IoT Core: Setting Startup App".

Problemas Conhecidos

Inicialização do Arduino

Ao bootar, o Arduino pisca pino D13. Não conecte relé no D13, senão o dispositivo piscará no boot.

Solução: 1) Não use D13 para relé. 2) Reescreva firmware OptiBoot sem usar D13 no boot e grave no Arduino.

Problema de Relógio

Raspberry Pi 2 não tem RTC on-board. Não mantém hora após queda de energia ou boot novo. RTC externo necessário.

Solução: NTP (precisa internet) ou Arduino lida com RTC e Pi solicita data/hora no boot. Anexe RTC externo diretamente ao Pi.

Problema de Depuração

Desenvolvendo Universal App em C#, enfrentei muitos problemas. Operações assíncronas são difíceis de depurar. Erros mostram tela genérica sem apontar linha problemática.

Solução: Coloque breakpoint antes da linha suspeita. Universal App ainda carece de recursos de depuração de apps Windows convencionais.

Futuro

Sem limitações para novas features. Comunicação remota via RF/IR em vez de I2C. Portal web com Azure para mobile. Automação real: eventos baseados em tempo (RTC) - ex: ligar luz quintal às 19h, desligar 22h; evento baseado: ligar luz jardim quando luminosidade cai abaixo de limite. Windows 10 IoT Core no Raspberry Pi 2 tem grande potencial.

Boa sorte e segurança!

Código

Sketch Arduino

/* Arduino Sketch v0.4 - Home Automation com Raspberry Pi 2 e Windows 10 IoT
   Testado apenas em Atmega328p.
   Prepara Arduino como dispositivo escravo no barramento I2C operado por Raspberry Pi 2.
   Objetivos:
   + Coletar dados de sensores periodicamente (loop)
   + OnReceive: coletar instrução de 3 bytes e operar baseado no modo (ReceiveData)
   + OnRequest: enviar array de 14 bytes baseado no modo selecionado (SendData)
*/
#include <Wire.h>
#define _DEBUG_
#define SLAVE_ADDRESS 0x40

int Pin_AmbientLight_LDR = A0;
int Pin_PassiveIR = 2;
int Pin_Temperature = A1;

volatile short Value_AmbientLight_LDR, Value_Temperature;
volatile bool Value_PassiveIR;

byte Mode, Pin, Value;
byte Response[14];

void setup() {
  pinMode(Pin_AmbientLight_LDR, INPUT);
  pinMode(Pin_PassiveIR, INPUT);
  pinMode(Pin_Temperature, INPUT);
  for(int i=0;i<=13;i++) pinMode(i, OUTPUT);
  pinMode(A2, OUTPUT);
  pinMode(A3, OUTPUT);
  
  #ifdef _DEBUG_
  Serial.begin(9600);
  #endif
  
  Wire.begin(SLAVE_ADDRESS);
  Wire.onRequest(SendData);
  Wire.onReceive(ReceiveData);
}

void loop() {
  Value_AmbientLight_LDR = analogRead(Pin_AmbientLight_LDR);
  Value_AmbientLight_LDR = map(Value_AmbientLight_LDR, 0, 1023, 0, 255);
  Value_PassiveIR = (digitalRead(Pin_PassiveIR) == HIGH);
  Value_Temperature = (short)((float)(analogRead(Pin_Temperature) * 0.48828125));
  delay(100);
}

void ReceiveData(int byteCount) {
  Mode = Wire.read();
  Pin = Wire.read();
  Value = Wire.read();
  if (Mode == 2) digitalWrite(Pin, Value);
  #ifdef _DEBUG_
  Serial.print(Mode); Serial.print(" "); Serial.print(Pin); Serial.print(" "); Serial.println(Value);
  #endif
}

void SendData() {
  switch (Mode) {
    case 0: // Ler Sensores
      Response[0] = (byte)Value_AmbientLight_LDR;
      Response[1] = (byte)(Value_PassiveIR ? 1 : 0);
      Response[2] = (byte)(Value_Temperature < 0 ? 0 : 1);
      Response[3] = (byte)(Value_Temperature < 0 ? -Value_Temperature : Value_Temperature);
      break;
    case 1: // Ler Estado Dispositivos
      for(int i=0, pin=0; i<14; i++, pin++) {
        if(pin==2) pin++; // Pula pino 2 (usado para PIR)
        if(pin==13) pin=A2; // Após 12 vai para A2
        if(pin==14) pin=A3;
        Response[i] = (digitalRead(pin) == HIGH) ? 1 : 0;
      }
      break;
    case 2: // Definir Estado Dispositivo
      Response[0] = (digitalRead(Pin) == HIGH) ? 1 : 0;
      break;
  }
  Wire.write(Response, 14);
}

Software Raspberry Pi 2 (Windows Headed App)

https://github.com/AnuragVasanwala/Home-Automation--RPi2-WinIoT-

Esquemáticos

Adicione múltiplos cômodos conectando Arduinos individuais com endereços I2C escravos únicos no barramento.

Home%20Automation%20Schematic%20-%20Anurag%20S%20Vasanwala.fzz