INTEGRACAO DE SISTEMAS DOMOTICOS COM TV DIGITAL COM BASE EMGATEWAY BACNET/HTTP

Magno Batista Correa∗, Carlos Humberto Llanos Quitero∗, Jones Yudi Mori Alves daSilva∗, Paulo Roberto de Lira Gondim∗

∗Universidade de BrasıliaCampus Universitario Darcy Ribeiro

Brasılia, DF, Brasil

Emails: magnobc@unb.br, llanos@unb.br, jonesyudi@unb.br, pgondim@unb.br

Abstract— The development of home automation’s applications and the use of digital TV receivers are twothreads with a social interest. This interest is motivated by the increasing population’s earning power, theextensive use and tax incentives by the government, so that the standards for digital TV should be adopted. Inthis paper is presented a home automation integration methodology with digital TV receives, showing the design,development and testing of a BACnet gateway/HTTP, facing execution in embedded devices, which is appliedto develop an integration between domotics and digital TV. The development and testing were performed ondifferent platforms, namely: (a) the PC architecture, (b) an SBC (Single Board Computer) with an ARM CPUand (c) a STB (Set-Top Box) in SH4 architecture.

Keywords— Domotics, Digital TV, BACNet, Intelligent Automation

Resumo— O desenvolvimento de aplicativos de automacao domotica e o uso dos receptores de TV digital saodois topicos com interesse social. Este interesse e motivado pelo aumento do poder aquisitivo da populacao, pelaampla utilizacao de receptores de TV e pelos incentivos fiscais dos governos, a fim de que sejam adotados ospadroes de TV digital. Neste trabalho e apresentada uma metodologia de integracao de automacao residencialcom receptores de TV digital, apresentando o projeto, desenvolvimento e testes de um gateway BACnet/HTTP,voltado para a execucao em dispositivos embarcados, visando a integracao entre sistemas domoticos e TV digital.O desenvolvimento e os testes foram realizados em diversas plataformas, sendo elas: (a) a arquitetura PC, (b)um SBC (Single Board Computer) com processador central ARM e (c) um STB (Set-Top Box) da arquiteturaSH4.

Palavras-chave— Domotica, TVDigital, BACnet, Automacao Inteligente.

1 Introducao

Na atualidade, os mundos da domotica e da TVdigital estao disjuntos e, quando se tenta utilizarseus servicos de forma integrada, encontra-se umcenario quase caotico, com a necessidade de utili-zacao de varios controles remotos, custos elevadospara a manutencao dos dois sistemas e ate mesmoum certo grau de desconforto, devido a necessi-dade de convivencia com este cenario.

A domotica apresenta uma serie de funciona-lidades como, por exemplo, o provimento de con-forto, seguranca e saude para os habitantes da re-sidencia automatizada (vide figura 1). Ja a TVdigital busca atender a uma serie de requisitossendo estes, por exemplo, a entrega de servicosde qualidade (QoS, em ingles Quality of Service),garantindo a qualidade da informacao e o provi-mento de interatividade com o usuario (vide figura1).

A utilizacao da TV digital faz necessario ouso, em alguns casos, de equipamentos conheci-dos em ingles como set-top box (STB). Estes STBspossuem um grande poder de processamento, ge-ralmente com hardwares com mais de 400MHz(Heath, 2007). Tal hardware fica em boa partedo tempo ocioso, visto que as funcoes de descom-pactacao de vıdeo estao em decodificadores dedi-cados. Um uso interessante para este hardware no

seu tempo ocioso seria a automacao da residenciado proprietario. A integracao da TV com os com-putadores para automacao esta comumente base-ada na insercao do computador dentro do receptorde TV (ou da STB), buscando a diminuicao donumero de componentes discretos e o provimentode servicos de melhor qualidade, como por exem-plo o close caption e a nomeacao de canais com oOSD (On Screen Display ). Nota-se tambem que oavanco do poder computacional tornou viavel a in-sercao, a um custo aceitavel, de processadores commais de 200 MHz dentro de um aparelho de TV(Heath, 2007). Este poder computacional e seme-lhante aos computadores da decada de 1990, queja eram capazes de acessar a internet e possuiamsistemas multimıdia e jogos diversos. Este tra-balho busca entao prover meios para a fusao dosmundos da domotica e da TV digital, atraves dodesenvolvimento de um gateway BACNet/HTTP,servindo de base para um ambiente de projetos ob-jetivando sistemas domoticos integrados com TVdigital, alem de facilitar o desenvolvimento de so-lucoes de automacao. Por outro lado, a literaturamostra uma carencia de trabalhos nesta direcao,onde os desafios sao muito grandes e as exigenciasde agilidade no desenvolvimento de novos produ-tos e solucoes sao imperiosas.

Neste contexto, este trabalho apresenta umferramental para a fusao destes dois mundos (vide

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Figura 1: Mundos da Domotica e da TV Digital

figura 1), atraves do desenvolvimento de um ambi-ente de projetos para sistemas domoticos integra-dos com TV digital, alem de facilitar a propostade solucoes de automacao atraves da implemen-tacao de um tradutor do protocolo BACnet (uti-lizado em automacao predial e residencial), paraprotocolo mais um simples e acessıvel a todos osinteressados em realizar tarefas de automacao.

2 Estrutura da proposta de integracao

Uma proposta de integracao de sistemas de au-tomacao residencial com o uso do gateway BAC-net/HTTP embarcado em um receptor de TV di-gital e apresentado na figura 2. Nesta proposta,o usuario ira enviar comandos atraves do controleremoto, tendo um retorno visual atraves do apare-lho de televisao. O receptor de TV digital alem dereceber a programacao difundida atraves do sinalde TV digital da torre de TV, tambem possui umaplicativo de automacao residencial.

Figura 2: Exemplo de uma possıvel implemen-tacao de um sistema integrando automacao resi-dencial com o uso de STB e do gateway BAC-net/HTTP

Os dispositivos BACnet podem interagirnesta proposta com o receptor de TV digital tantoatraves de redes IP quanto de redes MS/TP (Mas-ter Slave/ Token Passing), respondendo aos co-mandos digitados pelo usuario pelo controle re-moto, retornando os estados para o usuario atra-ves do aparelho de TV. O usuario pode tercontrole de diversos elementos de sua residenciacomo, por exemplo, o controle sobre o aciona-mento de iluminacao, tanto a artificial (lampa-das) quanto a natural (persianas), climatizacao

(ar-condicionado, aquecedor e umidificador), den-tre diversos outros. Este acionamento pode seratraves de uma rede sem fio ou atraves de um bar-ramento RS485 ate o dispositivo, ou ainda atra-ves de um CLP (Controlador Logico Programa-vel) residencial instalado ao lado do painel ele-trico. Em uma abordagem mais ampla, o sistemapode ainda integrar solucoes de seguranca, com ainstalacao de sensores externos, sensores de pre-senca ou mesmo prover a visualizacao de camerasde seguranca.

3 BACnet (Building Automation andControl networks) e TV Digital

BACnet e um protocolo de comunicacao (Liu andRen, 2007) voltado para a automacao de edifi-cacoes e seus sistemas de controle. Segundo a(Parsons, 2009) a ASHRAE (American Society ofHeating, Refrigerating, and Air-Conditioning En-gineers) define o BACnet como “um grupo de re-gras governando a troca de informacao atraves deuma rede de computadores”. Estas regras estaodescritas em um padrao especificado no padraoANSI/ASHRAE Standard 135 e no padrao ISO16484-5.

O BACnet teve seu inıcio oficial em ju-nho 1987, quando comite de projetos da ASH-RAE buscou um padrao de que atendesse anecessidade de interoperabilidade entre mui-tos vendedores e muitas classes de automacaopredial(Wolfgang Kastner, 2005). O protocolo foialvo de interesse no desenvolvimento deste pa-drao o atendimento de varios tipos de automacao,desde pequenas automacoes residencias quantoa automacao de grandes predios, passando porexemplo pelo controle de HVAC, iluminacao, se-guranca, combate a fogo, controle de aceso, manu-tencao dentre outros (Parsons, 2009). O BACnettornou-se padrao ASHRAE/ANSI sob o numero135 em 1995 vindo a ser padrao ISO sob o nu-mero ISO 16484.

Os padroes de TV digital definem os mecanis-mos de transmissao, recepcao, configuracoes mıni-mas de hardware, faixas de frequencia de operacao,padroes de transporte de dados e compactacaodentre outros pontos mınimos para garantir a in-teroperabilidade entre os equipamentos de TV di-gital comercializados (de Oliveira et al., 2008). Aspartes mais importantes de um padrao de TV digi-tal podem ser definidas como Transmissao, Trans-porte,Codificacao, Middleware e Aplicacao.

4 Trabalhos correlatos em automacaoresidencial e TV digital

Alguns trabalhos buscam desenvolver formas al-ternativas de integracao sem a utilizacao dos mid-dlewares de TV digital, fundamentando a sua de-cisao principalmente no fato do alto custo com-

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putacional agregado aos middlewares, geralmentebaseados em uma JVM (Java Virtual Machine)completa, como e o caso do MHP e do Ginga.Esse fator causa uma baixa aderencia dos mid-dlewares no mercado. Tal abordagem e adotadapor (Mark Umberger, 2008), que desenvolve seuproprio gateway Konnex/Webservice. No artigoapresentado por (Mark Umberger, 2008) e desen-volvido uma solucao de integracao de IPTV e au-tomacao residencial e baseada em uma rede Kon-nex. Esta solucao foi desenvolvida em linguagemVisualBasic e sobre uma arquitetura PC, rodandosobre um sistema operacional WindowsXP. A ar-quitetura adotada no projeto separa claramenteum gateway Konnex para um padrao de caracte-res simples baseados no padrao RS232 como meiofısico, e transportando caracteres no padrao AS-CII, onde cada caractere mapeia diretamente umcomando para a rede, sem a definicao de um pro-tocolo mais sofisticado. Dentro do PC encontra-se o desenvolvimento de um web Service que seliga ao gateway Konnex atraves de uma porta se-rial, sendo transmitidos os comandos pre-definidossimplistas.

Alguns trabalhos buscam a utilizacao dosmiddlewares de TV digital para agregar as funci-onalidades de automacao residencial, como ocorrecomo o trabalho de (Oliveira et al., 2008), onde eproposto um sistema denominado de DIGA Ginga(Digital Automation in Monitoring and Controlusing GINGA technology). O DIGA Ginga e umconjunto de propostas baseadas profundamente nodesenvolvimento do middleware Ginga. Este pro-jeto gera uma serie de subsistemas sendo eles oDIGA SAUDE (monitoramento pessoal) o DIGA-BEM (base global) o DIGA CASA, com o mo-nitoramento da casa, dentre outros subsistemasdenominados de DIGA. Seu prototipo e o pro-jeto Pimenter (Oliveira et al., 2008), desenvolvidopela CEFET do Ceara. A ideia basica por trasdo projeto e implementar uma serie de servicosdesprezando as caracterısticas de hardware, espe-rando que os receptores de TV Digital evoluamrespeitando a lei de Moore (Patterson and Hen-nessy, 2008), tal como os PCs.

Outros trabalhos como o de Lin et al (Lin andChen, 2005) caminham em uma direcao comple-tamente oposta, abordando formas de se contro-lar o receptor de TV digital, utilizando para issodiversos dispositivos, como por exemplo computa-dores, PDAs e celulares com acesso a internet. Nomesmo trabalho e usado o middleware MHP paraa confeccao de um servidor (interligado pela redeIP), sendo capaz de acionar o EPG, uma torra-deira (Lin and Chen, 2005), dentre outros.

No trabalho de Lin et al (Lin and Chen, 2005),o servidor tambem se baseia em um conjunto limi-tado de comandos, expressos no caso por numerosde -1 ate 9, onde todos os comandos, exceto o -1, sao seguidos pelo caractere “retorno de carro”.

Quanto aos clientes, eles necessariamente preci-sam ter suporte ao HTTP, porem se possuıremcapacidade de “tocar” um stream (fluxo) de vıdeodo tipo MMS (Microsoft Media Server) ainda setem a possibilidade de se ver o conteudo que estasendo executado atualmente.

5 Implementacao da proposta deintegracao

5.1 Definicao de estrategia de integracao

Adotou-se para este trabalho o desenvolvimentode um gateway de camada 7 (ou um gateway decamada de aplicativo), por restricao natural doprotocolo BACnet que esta definido ate a camadade aplicativo, alem de se ter uma maior facili-dade de desenvolvimento, devido ao maior graude abstracao. Obteve-se com esta estrategia umamaior facilidade de reuso e expansao do gateway,bem como a possibilidade de implanta-lo em di-ferentes arquiteturas. Por outro lado, para o de-senvolvimento da etapa BACnet do gateway foiutilizada como pilha de BACnet a implementa-cao do BACnet Stack (BACnet, 2013), que semostrou uma das mais completas do SourceForge(Geeknet, 2013) no segmento, com uma comuni-dade muito ativa e receptiva a novos desenvolvedo-res, respondendo prontamente aos questionamen-tos feitos.

O gateway foi definido para poder ser com-posto de uma pilha BACnet compilada em doismodos, uma voltada para o padrao BACnet/IP eoutra para o BACnet/MSTP. Por outro lado, setem a implementacao de duas formas distintas deacesso ao HTTP (vide figura 3). Uma forma eatraves da utilizacao do AXIS2, um servidor dewebservice de boa receptividade no mercado. Ou-tra forma e atraves de um servidor HTTP 1.0,desenvolvido especialmente para aplicacoes quenecessitem de uma implementacao mais enxuta.Este servidor visa uma melhor utilizacao de espacoem memoria e a possibilidade de comunicacao declientes com implementacoes mais simplificadas,visto que estes clientes nao precisariam implemen-tar um cliente webservice e sim apenas um clienteHTTP 1.0.

Figura 3: Arquitetura do gateway

5.2 Implementacao do codigo

Para a implementacao do codigo foi buscado afacilidade de compreensao da implementacao e

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a aplicacao de abstracao para que novas funci-onalidades sejam acrescidas ao gateway. Paraalcancar este objetivo, o gateway foi divididoem 4 grandes modulos: (a) HTTP-Server, (b)BACnet-Controler, (c) Web-Framework, e (d)Util-Fucntions. Esta abordagem torna possıvelas seguintes vantagens: (a) a manutencao do ga-teway, (b) o acrescimo de funcionalidades e (c)uma solucao mais desacoplada.

5.3 Desenvolvimento da solucao proposta

Foi adotada como estrategia de integracao a sepa-racao logica do gateway em modulos. Tal abor-dagem facilita tanto a codificacao quanto a depu-racao do codigo, sendo que cada uma destas ati-vidades (codificacao e depuracao) podem ser re-alizadas somente no dado modulo, sem sofrer in-terferencia de problemas relacionados com outrosmodulos. Outro aspecto positivo da abordagemda separacao do codigo em modulos e que a codi-ficacao esta voltada para um forte desacoplamentodas diversas partes que compoem o gateway, o quevem facilitar tanto a compreensao do codigo porfuturos desenvolvedores quanto a reutilizacao dosmodulos para novas solucoes que venham a serprojetadas e que se desejam funcionalidades pare-cidas.

Figura 4: Implementacao do gateway em altonıvel. (a) modulo HTTP-Server, (b) moduloBACnet-Controler, (c) modulo Web-Framework e(d) modulo Util functions

A parte em software que define o gateway foiconcebida em quatro grandes modulos, tal comoapresentado na figura 4, os quais serao descritos aseguir.

5.3.1 Servidor HTTP (HTTP-Server)

Este modulo representa a implementacao de umservidor aderente a definicao de servidor HTTP1.0 (RFC1945, 1996) basico, capaz de disponibi-lizar quaisquer recursos solicitados por quaisquerclientes HTTP (i.e. Firefox, Internet Explorer).Este modulo esta subdivido em dois modulos me-nores, a fim de facilitar a compreensao e a ma-nutencao do codigo, sendo estes os modulos deOperacoes com socket e Interpretador de funcoesHTTP :

(a) Operacoes com socket (socket-operations): realiza todas as operacoesnecessarias com os sockets de comunicacao comos clientes HTTP, tal como as funcionalidades deabrir um socket, responder uma dada solicitacaoe fecha-lo ao termino da conexao.

(b) Interpretador de funcoes HTTP: e uminterpretador das funcoes definidas da (RFC1945,1996) que definem o padrao HTTP 1.0. Para estetrabalho foi definido que seria implementado uminterpretador de chamadas ao metodo GET doHTTP, a fim de tornar o servidor mais simples.

5.3.2 Controlador-BACnet (BACnet-controler):

o controlador BACnet e a parte do gateway vol-tada para a rede de automacao predial, sendo ca-paz de se comunicar atraves do protocolo BAC-net apresentado na secao 3. O controlador BAC-net esta para a rede BACnet assim como o Servi-dor HTTP esta para a rede HTTP. O controladorBACnet esta dividido logicamente em duas partes,que serao descritas a seguir (vide figura 4b):

(a) Contexto-BACnet(BACnet-context):contem as implementacoes em alto nıvel dasfuncionalidades da rede BACnet, provendo meiosde acesso a esta rede, aos seus dispositivos e aspropriedades destes dados dispositivos.

(b) Pilha-BACnet (BACnet-stack): e aparte do codigo que contem as funcionalidadesde geracao e interpretacao dos APDUs e NPDUs,bem como prover o acesso ao meio fısico ado-tado. Dentre as pilhas analisadas, foi eleita a(BACnet, 2013) e personalizada para que esta vi-esse a atender as funcionalidades necessarias aogateway.

5.3.3 Framework-Web (Web-framework)

Visando facilitar a implementacao de novas solu-coes que objetivam utilizar o gateway como estra-tegia de acesso a rede BACnet foi desenvolvidoum framework simplificado com base em filosofiase ferramentas comumente adotadas em projetosweb, levando-se em conta projetos de servidoresweb em Java. Este framework prove uma camadade abstracao do gateway, tornado possıvel o desen-volvimento de solucoes de automacao predial uti-lizando comunicacao BACnet, sem a necessidadedo conhecimento do protocolo em si. A descricaodas partes e dada a seguir:

(a) uLet: baseada nas filosofias do servlets(com.javax.Servlet), possui de entrada e saıdaequivalente aos objetos de entrada e saıda de Http-Servlets, tambem nomeadas de request e response,

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com um domınio de atributos muito parecido. So-mente a funcao doGet (equivalente ao metodo do-Get do HttpServlet) foi implementada, sem prejuı-zos relevantes a solucao, visto que o servidor so-mente consegue interpretar metodos HTTP GET.

(b) uStruts: baseado no framework Struts(STRUTS, 2013) prove uma solucao de imple-mentacao do Padrao de Projeto (design Pattern)MVC (Model View Control), atuando na camadade controle. Na implementacao do gateway desteframework, os dados (model) sao montados emestruturas chamadas actions sendo que a partede apresentacao (view) e provida pelo frameworkuVelocity.

(c) uVelocity : baseando no framework Velocity(Velocity, 2013) esta funcionalidade realiza a ana-lise lexica de uma cadeia de caracteres (string)que pode tanto estar no sistema de arquivos dosistema operacional quanto dentro do proprio co-digo, e entao realiza a fusao (merge) dos dadospassados em um contexto gerando no final umanova cadeia de caracteres, que no caso de servicosweb e um novo recurso, que pode ser, por exemplo,uma pagina HTML.

6 Resultados

6.1 Gateway BACnet/HTTP

Para desenvolver gateway BACnet/HTTP (deuma forma que ele fosse plenamente portavel en-tre diversas plataformas) os codigos foram testa-dos em tres plataformas distintas: (a) uma ar-quitetura PC, (b) um SOC do tipo TS7300 e (c)no STB adotado com processador ST7100 e STli-nux. Como resultado tem-se uma versao do ga-teway BACnet/HTTP portavel e compilada paraestas arquiteturas, as quais serao apresentadas aseguir.

6.2 Execucao do gateway BACnet/HTTP emPC

Um dos resultados deste trabalho foi uma ver-sao do gateway BACnet/HTTP compilado paraser executado na arquitetura PC. Esta foi a pri-meira versao do gateway, devido principalmente agrande gama de ferramentas de desenvolvimento,o que tornou as fases de desenvolvimento maisageis.

Figura 5: Execucao de uma pagina do gatewayBACnet/HTTP no navegador Firefox

Na figura 5 e apresentado o navegador webFirefox enviando solicitacoes para a rede de auto-macao BACnet, atraves de uma interface de pagi-nas desenvolvido especialmente para navegadoresde uso geral. A funcionalidade de geracao de pa-ginas voltadas para navegadores mais modernos(com mais recursos dos que os geralmente encon-trados em sistemas embarcados) visa demonstraros capacidades da solucao proposta neste traba-lho para a geracao de conteudo para sistemas commais recursos computacionais, como os encontra-dos na arquitetura PC.

6.3 Execucao do gateway BACnet/HTTP noSBC TS7300

O gateway BACnet/HTTP tambem foi portadopara o SBC TS7300, o qual possui um ARM9como processador. Este resultado busca demons-trar a portabilidade do gateway em uma arquite-tura mais acessıvel, tanto pela existencia de maisrecursos computacionais quanto pelos dispositivosde entrada e saıda disponıveis. O uso desta arqui-tetura visou a facilitacao da elaboracao de traba-lhos futuros, alem deste SOC servir de um “meiotermo” entre a arquitetura PC e os existentes nosSTBs.

Figura 6: Fotografia do arranjo de testes do ga-teway BACnet/HTTP

Na figura 6 e apresentado o arranjo para exe-cucao dos testes em laboratorio, onde foi utilizadoo SBC TS7300 ligado a um monitor e teclado,se comunicando por Ethernet com notebook. Nocomputador portatil encontra-se o Wireshark exe-cutando a interceptacao dos pacotes trafegados narede local, assim como um navegador de uso geral

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enviando os comandos e recebendo os resultadosdo gateway BACnet/HTTP. O gateway esta sendoexecutado dentro do SBC TS7300.

Figura 7: Gateway BACnet/HTTP executandodentro do STB adotado

6.4 Execucao do gateway BACnet/HTTP noSTB

Outro resultado de portabilidade do gatewayBACnet/HTTP foi a execucao deste aplicativodentro de um STB. As caracterısticas do gatewaypermaneceram inalteradas das apresentadas paraos casos de portabilidade para a arquitetura PCe para o SBC TS7300. No caso do STB utili-zado neste trabalho, nao foi possıvel a execucaodo gateway na configuracao BACnet/IP, devido ainexistencia de porta Ethernet neste equipamentona versao comercializada.

Para demonstrar a execucao do gateway BAC-net/HTTP no STB adotado, foi tirado um prints-creen (vide figura 7) de uma listagem de processosdo sistema operacional, onde se pode observar aexecucao dos processo do gateway BACnet/HTTP(processo PID 78 - gtwbm) e do navegador (pro-cess PID 79 - navx).

6.5 Dispositivo BACnet (BACnet device) desen-volvido para testes em microcontroladores

Um dos resultados deste trabalho um dispositivoBACnet de baixo custo baseado no microcontro-lador ATMEGA328P. Este dispositivo foi confec-cionado em dois modulos, sendo eles: (a) placa decontrole USB e (b) placa de potencia a rele (videfigura 8).

Figura 8: Dispositivo (device) BACnet MSTPpara ligar e desligar lampadas

7 Conclusoes

Este trabalho apresentou uma metodologia de in-tegracao de automacao residencial com recepto-res de TV digital, atraves da elaboracao de umgateway BACnet/HTTP, com a confeccao de umnavegador especıfico para o caso de STB, alemda elaboracao de um dispositivo BACnet de baixocusto. A abordagem deste problema de integracaode uma forma que pudesse ser reutilizada, totalou parcialmente em outros trabalhos, levou ao de-senvolvimento de uma serie de subprodutos, quepodem ser utilizados das mais diversas maneiras.

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