Sistema de Rádio Frequência Para Fechadura

SITEMA DE RÁDIO FREQUÊNCIA PARA FECHADURA ELÉTRICA
Dijair Santos Vieira1, Tiago Fernandes Campos2, Alessandro C. Mendes3, Airton Abrahão
Martin3
1
UNIVAP - Universidade do Vale do Paraíba/FEAU – Faculdade de Engenharia e Arquitetura,
Estrada Municipal do Limoeiro, 250 – JD. Dora – Villa Branca – Jacareí – SP,
E-mail: [email protected]
2
UNIVAP - Universidade do Vale do Paraíba/FEAU – Faculdade de Engenharia e Arquitetura,
Estrada Municipal do Limoeiro, 250 – JD. Dora – Villa Branca – Jacareí – SP,
E-mail: [email protected]
3
UNIVAP/PROBES - Universidade do Vale do Paraíba/Laboratório de Espectroscopia Vibracional
Biomédica/PROBES, Av. Shishima Hifumi, 2911, 12244-000, São José dos Campos – SP,
E-mail: [email protected], [email protected]
Resumo – A tecnologia de transmissão de dados via RF (radio freqüência) codificado vem sendo muito
utilizada devido sua segurança e eficiência, por não necessitar do uso de códigos de barras e por seu
acionamento ser feito a distância. O objetivo desse trabalho é utilizar um transmissor de dados via RF
codificado para acionamento de uma fechadura residencial sem a necessidade de chave. Esse sistema RF
possui um módulo transmissor que envia uma combinação de códigos binários (código) à um módulo
receptor próximo a porta, que por sua vez recebe a combinação binária e confere se o código do transmissor
e receptor são os mesmos, caso seja, é liberado um sinal para o acionamento da fechadura elétrica através
de um relé. O sistema desenvolvido demonstra segurança por possuir sistema de alimentação alternativa
através de bateria que assume o sistema em caso de falta de energia elétrica. O mesmo sistema só libera o
acionamento da fechadura se o endereçamento binário do transmissor e receptor for idêntico, impedindo
assim que qualquer transmissor tenha acesso à entrada pela porta. Apesar de existir sistemas similares no
mercado, o grande diferencial deste produto é seu baixo custo e menor consumo de energia. O projeto
demonstra eficiência e resultados esperados, este sistema RF tem um alcance médio de comunicação de 02
metros sem obstáculo. A bateria do transmissor tem uma durabilidade de aproximadamente 02 meses e a
bateria reserva da fonte em repouso tem durabilidade de até 24 horas, e em uso de até 4 horas. Lembrando
que a duração das baterias varia de acordo com a quantidade de vezes utilizadas.
Palavras-chave: radio freqüência, transmissor, receptor, fechadura elétrica.
Área do Conhecimento: eletrônica
Introdução
A tecnologia RF (radio frequência) nada mais é do que
um termo genérico para as tecnologias que utilizam a
freqüência de rádio para captura e transmissão de
dados.
As ondas de rádio, ou seja, as ondas
eletromagnéticas, são geradas por dispositivos
elétrico-eletrônicos.
Antigamente,
quando
as
transmissões eram efetuadas em frequências muito
baixas (ondas longas) os geradores eram na verdade
alternadores eletromecânicos. Assemelhavam-se a
um gerador de corrente alternada, porém, a
frequência era muito acima das frequências industriais
(40 – 60 Hz). Normalmente estes geradores operavam
nas faixas de 60 KHz a 100 KHz.
Depois, com a descoberta da utilidade das
frequências de ondas de rádio mais elevadas,
descoberta inteiramente devida ao trabalho dos
radioamadores nas décadas de 1910 e 1920, e com a
chegada das válvulas termiônicas como eram
chamadas, os geradores de RF deixaram de ser
eletromecânicos e passaram a ser valvulares, até a
chegada na década de 40 dos semi condutores.
Hoje os geradores de RF e os transmissores
utilizam válvulas ou semi condutores. Ao contrário do
que possam pensar, a chegada dos semi condutores
não desbancou a válvula. Nos manuais da “American
Radio Relay League” que era uma importante
associação de radioamadores dos EUA, mesmo com
a tecnológia de circuitos transistorizados continuavam
utilizando circuito de geradores de RF e transmissores
1
a válvula, principalmente quando se trata de
equipamento de maior potência.
Entretando, os semicondutores (transistores)
possuem características próprias que as válvulas não
possuem, e senão fossem eles os vôos
interplanetários e os satélites não seriam possíveis,
pois o consumo do filamento das válvulas demandaria
tal energia que a carga dos veículos astrais seria algo
1
impossível na atual tecnológia espacial.
O sinal de RF é gerado obviamente com um
gerador seja ele válvulado ou transistorizado. Este
gerador é um circuito ocilador, onde componentes,
tais como, bobinas, capacitores e resistores, são
agrupados ao redor do elemento principal (válvula ou
transistor) para produzir oscilações alternadas, com
uma frequência situada dentro do espectro
eletromagnético, seja para transmissão de dados ou
2
radiocomunicações.
Se as condições de irradiação e recepção
forem adequadas, é possível com pouca potência de
RF alcançar grandes distâncias. Para isso é
necessário não só um gerador de RF ou transmissor,
e sim um sistema irradiante adequado e um circuito
receptor além de um sistema captador (antena e
correlatos), um receptor com sensibilidade e
discriminação adequada.
Neste projeto foi utilizado os módulos de
3
4
transmissão e recepção RT4 e RR3 já existente no
mercado, produzidos pela Telecontrolli. A diferença
deste projeto para o sistema de RF para
radiocomunicação, é que este projeto foi elaborado
para possuir curto alcance, onde os módulos RT4 e
RR3 quando instalados e tendo as antenas
dimensionadas corretamente possue um alcance
máximo de 100 metros.
Materiais e Métodos
O sistema desenvolvido neste projeto, para
acionamento via RF, tem a finalidade de substituir a
utilização de chaves na abertura de portas
residênciais. O diagrama de bloco do projeto é
mostrado na Figura 1.
ter freqüências idênticas para que possa haver uma
comunicação entre o transmissor e receptor. Os
módulos RT4 e RR3 possuem alcance de até 100m
sem obstáculos, desde que a antena e a fonte de
alimentação do transmissor sigam as recomendações
do fabricante. No protótipo proposto optamos por um
alcance mínimo possível, e para isso reduzimos o
tamanho físico da antena, apesar disso, o protótipo
apresentou um alcance médio de 02 metros sem
obstáculos. O módulo receptor RR3 pode trabalhar
numa faixa de tensão que varia de 4,5V à 5.5V, já o
módulo transmissor RT4 trabalha entre 2,0V à 14,0V.
Neste projeto a tensão selecionada para ambos os
módulos foi de 5,0V. Esses módulos não necessitam
de ajustes, os ajustes são realizados na fábrica
através de tecnologia a laser.
Na Figura 2 o módulo transmissor RT4 e o
módulo receptor RR3 é apresentado.
Figura 2 - módulos RT4 e RR3
Para transmitir dados de forma digital e
seguindo um determinado padrão através dos
módulos RT4 e RR3, foram utilizados os CIs
MC145026 (Encoder) e MC145027 (Decoder),
5,6
fabricados pela Motorola. O CI encoder MC145026
pode trabalhar numa faixa de tensão de 2,5V à 18,0V.
Já os decoders MC145027 e MC145028 trabalham
entre 4,5V à 18,0V. A tensão utilizada neste projeto
para RR3 e RT4 foram as mesmas, padronizando a
fonte de alimentação, já que 5,0V seria uma tensão
adequada para todos os componentes do projeto.
A Figura 3 mostra o diagrama do circuito
transmissor. Neste diagrama é possível observar
todos os componentes do circuito, assim como, o
endereçamento serial do circuito transmissor (11100),
entre os pinos 1, 2, 3, 4 e 5, sendo 1, 2 e 3 ligados na
referência 5,0V e 4 e 5 e o pino 8 ligados na
referência 0V (terra).
Figura 1 – Diagrama de Bloco
Neste
projeto
foram
utilizados
os
componentes RT4 e RR3 da Telecontrolli (transmissor
3,4
e receptor de sinais de radio frequencia).
Os
módulos RT4 e RR3 trabalham nas faixas de
freqüências de: 315MHz, 418MHz e 433,92MHz. Os
módulos utilizados em nosso projeto trabalham na
freqüência de 433,92MHz. O par (RT4 e RR3) deve
7
Figura 3 – Diagrama do Circuito Transmissor .
2
Podemos observar na Figura 4 o diagrama do circuito
receptor e todos os componentes utilizados no
circuito, podemos observar também que o circuito
receptor possui o endereçamento serial (11100), entre
os pinos 1, 2, 3, 4 e 5, sendo 1, 2 e 3 ligados na
referência 5,0V e 4 e 5 ligados na referência 0V
(terra), isso mostra que o endereçamento serial entre
o circuito receptor e o circuito transmissor são
idênticos.
7
Figura 4 - Diagrama do Circuito Receptor.
O CI MC145026 pode decodificar até 243
endereços diferentes no modo trinário (0,1 e aberto)
ou até 32 endereços no modo binário (0 e 1),
utilizando os pinos 1, 2, 3, 4 e 5. O endereçamento
que for aplicado no MC145026 deve ser idêntico ao
MC145027 para que ambos possam se comunicar.
Para o acionamento da fechadura foi utilizado
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um relé de 12V da MKB. A referência 0V (terra) da
fechadura passa direto pela placa sem interrupção, já
a referência 5V é interrompido pelo relé entre o pino
comum e o pino NA. Quando o circuito receptor
disponibiliza o sinal para o relé da fechadura, esse
relé recebe a tensão de 12V em sua bobina, fazendo
o atracamento interno, entre o pino comum e o pino
NF, acionando a fechadura elétrica.
Este tipo de circuito receptor possui um tipo de
memória volátil elementar (latch). Esse “latch” faz com
que os dados permaneçam armazenados no circuito
até que receba um novo dado que seja aceito ou a
alimentação do circuito seja interrompida.
A
fim
de
eliminar
este
problema,
configuramos um relé de 12V da MKB para fazer a
interrupção da alimentação da placa do circuito
receptor. As bobinas do relé são ligadas com um pino
na referência 0V (terra) da placa e o outro pino na
referência 12V da fechadura, já a tensão de 5V que
alimenta a placa do circuito receptor, é ligada com a
referência 5V no pino comum e no pino NF do relé, e
referência 0V (terra) não sofre interrupção. Quando o
relé da fechadura é acionado, ao mesmo tempo em
que envia o sinal para a fechadura, também é enviado
um sinal para o relé da placa receptora, fazendo com
que o relé faça o atracamento entre o pino comum e o
pino NA, então todo o circuito da placa receptora é
desligado, sendo assim, o relé da fechadura também
é desligado, e todo o circuito retorna a configuração
inicial.
O circuito transmissor possui alimentação
independente através de duas baterias portáteis de 3V
cada, somando no total 6V, através do uso de um CI
9
regulador de tensão de modelo 7805 , é possível
converter 6V para 5V, nível de tensão que definimos
como adequado para o circuito.
Para a alimentação do circuito receptor e para
a fechadura, foi projetada uma fonte AC/DC de uso
específico para esse projeto. Essa fonte possui um
transformador com entrada primária de 220/110V e
saída secundária de 12V com capacidade de 2A,
ligado em uma ponte de diodo de capacidade de 2A,
após a ponte de diodo foi utilizado um capacitor
eletrolítico de 1000uF, para fazer a filtragem da tensão
contínua, também foi utilizando um CI regulador de
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tensão 7812 , para regular a tensão para 12V DC,
assim podemos deixar um ponto para ligação da
alimentação da fechadura. Em seguida foi utilizado um
CI regulador de tensão 7805 para regular a tensão ao
nível adequado de 5V, valor de tensão que definimos
como adequado para a alimentação da placa do
circuito receptor. A fonte AC/DC projetada para este
projeto possui tensão de saída DC de 12V e 5V, a
placa de circuito da fonte possui terminais para
conexão dos cabos de alimentação da fechadura, da
placa do circuito receptor, para a conexão do cabo da
bateria reserva e entrada do transformador.
Observe na Figura 5 o diagrama do circuito da
fonte AC/DC, com todos os componentes utilizados na
montagem da fonte.
Figura 5 – Diagrama da fonte AC/DC
Para esse projeto foi pensado em um sistema
de segurança, que em caso de falta de energia
elétrica, uma bateria de 12V com capacidade de 5Ah
recarregável assumirá todo o circuito, permitindo que
o circuito funcione mesmo sem energia elétrica.
Essa bateria foi instalada da seguinte forma:
Após o CI regulador de tensão 7812 da fonte AC/DC,
existe uma derivação da referência 12V da fonte que é
ligado a referência 12V da bateria, porém antes de
11
chegar à bateria, foi instalado um diodo 1N4148 para
3
impedir que a tensão da bateria retorne e descarregue
no circuito de forma inversa, foi instalado também um
resistor de 200Ω para fazer com que a bateria
recarregue de forma lenta e que a mesma não
danifique. Sendo assim todo o circuito pode funcionar
através da fonte AC/DC ou através da bateria, essa
seletividade é realizada automaticamente através de
um relé de 12V da MKB. Inicialmente a referência 12V
da bateria está ligado no pino NF do relé; e referência
12V da fonte esta ligado no pino NA do relé. Caso a
energia elétrica na residência esteja em ordem o
circuito é alimentado através da fonte, que aplica 12V
na bobina do relé realizando o atracamento interno
entre o pino comum e o pino NA, em caso de falta de
energia elétrica a bobina do relé deixa de receber
tensão e desatraca, fazendo a ligação interna entre o
pino comum e o pino NF do relé, dessa forma a
bateria assume o circuito, possibilitando o
funcionamento do sistema normalmente.
Resultados
O projeto obteve o resultado esperado, todas
as placas de circuito ficaram com tamanho tolerável.
As figuras 6, 7 e 8 mostram as fotos do circuitos
montados e a figura 9 mostra a porta com o sistema
instalado.
Figura 7 – Circuito Receptor
Figura 8 – Fonte AC/DC
A distância de transmissão e recepção do
sinal RF está próximo do desejável (aproximadamente
2 metros). Em relação às baterias utilizadas para o
sistema, as mesmas demonstraram funcionalidade e
durabilidade adequada.
A figura 9 mostra o projeto montado e
funcionando, porém a porta foi produzida em tamanho
reduzido, para demonstração apenas.
Figura 9 – Projeto Finalizado
Discussão
Figura 6 – Circuito Transmissor
Os resultados dos testes realizados foram
satisfatórios. Entretanto, algumas melhorias podem
ser realizadas, como por exemplo: produzir um circuito
transmissor mais compacto, algo que possa ser
utilizado como chaveiro. Pode ser utilizado um módulo
transmissor e módulo receptor de menor alcance para
eliminar o acionamento acidental de longa distância.
No circuito receptor foram realizadas algumas
modificações, tais como: instalação de relé na
alimentação do circuito, este relé possui interface com
o relé de acionamento da fechadura, uma vez que a
fechadura é acionada, o relé de alimentação é
acionado simultaneamente, dessa forma o circuito é
reiniciado.
Tais melhorias já estão em pesquisas, para
ser aplicada no sistema RFID (Radio Frequency
Identication).
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7
Conclusão
A fechadura possui um consumo de 1A, e
todo o circuito um consumo médio aproximado de
1,4A, podemos considerar que no máximo teremos
uma carga de 1,8A a 1,9A, totalmente compatível com
a capacidade da fonte.
A bateria possui uma autonomia de até 24
horas, isso dependendo da quantidade de uso do
sistema, podendo variar de 1 hora até 24 horas de
uso.
A bateria do circuito transmissor possui a
durabilidade aproximada de até dois meses, após
esse período é aconselhável a sua substituição.
Devido o projeto apresentar um sistema de
comunicação codificada, torna o sistema mais seguro
quanto à sua clonagem.
A aplicação deste projeto é viável para acesso
residencial sem a necessidade de utilização de
chaves.
DIAGRAMA TRANSMISSOR E RECEPTOR
http://www.rogercom.com/pparalela/LptWireless.htm
8
RELÉ
http://www.mkb.com.br/img_prod/70588000_1227898
907.pdf
9
CI. REGULADOR DE TENSÃO 7805
http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/228/3900
68_DS.pdf
10
CI. REGULADOR DE TENSÃO 7812
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/analogdevi
ces/AD7812YN.pdf
11
DIODO 1N4148
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/wte/LL414
8.pdf
Agradecimentos
Neste projeto agradecemos primeiramente a
Deus por nos dar sabedoria e coragem para superar
os obstáculos.
Agradecemos também ao nosso colega de
sala de aula, Bruno Serrano por nos ajudar no inicio
do projeto, disponibilizando os diagramas iniciais, que
infelismente não está mais estudando. Ao colega de
sala de aula Thiago Rondão pelo apoio no
desenvolvimento das placas de circuito. Ao
Engenheiro Alessandro Correa Mendes, por nos
ajudar a compreender melhor alguns circuitos e como
realizar ajustes e melhorias no projeto, e finalmente ao
Professor Airton Martin pela orientação no projeto.
Nossos sinceros agradecimentos a todos.
Referências Bibliográficas.
1
Transmissores e geradores de RF, Fanzeres, Apollon
1985. Capitulo 01, páginas 15,16, 22 e 23; Capitulo 2,
página 25.
1
Curso básico de antenas e de linhas de transmissão
de energia de radiofreqüência, Aurélio Garcia Ribeiro,
1999. Capitulo 1, páginas 10 e 11.
3
RT4 – MÓDULO TRANSMISSOR
http://www.telecontrolli.com/pdf/transmitter/rt4.pdf
4
RR3 – MÓDULO RECEPTOR
http://www.telecontrolli.com/pdf/receiver/rr3.pdf
5e6
MC145026, MC145027 – CI ENCODER E
DECODER
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/M
C145026.pdf
5
6