Sistema de aquisição e gerenciamento de dados sobre acidentes de trânsito através do uso da tecnologia de geoprocessamento

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1 Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas NCET Engenharia da Computação Luiz Francisco Carvalho Júnior Sistema de aquisição e gerenciamento de dados sobre acidentes de trânsito através do uso da tecnologia de geoprocessamento Curitiba 2004

2 Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas NCET Engenharia da Computação Luiz Francisco Carvalho Júnior Sistema de aquisição e gerenciamento de dados sobre acidentes de trânsito através do uso da tecnologia de geoprocessamento Monografia apresentada à disciplina de Projeto Final, como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação. Orientador: Professora Adriana Thomé Curitiba 2004 ii

3 TERMO DE APROVAÇÃO Luiz Francisco Carvalho Júnior Sistema de aquisição e gerenciamento de dados sobre acidentes de trânsito através do uso da tecnologia de geoprocessamento Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação do Centro Universitário Positivo, pela seguinte banca examinadora: Profa. Adriana Thomé Prof. Luiz Carlos Albini Prof. Marcelo Mikosz Gonçalves Curitiba, 13 de Dezembro de 2004 iii

4 SUMÁRIO 1 Introdução Especificação Descrição Motivação Objetivos Descrição Descrição geral do sistema Módulo Adicional Módulos do sistema Sistemas de informação geográfica (SIG) Geoprocessamento Características funcionais dos SIG S Dados geográficos Natureza dos dados geográficos Propriedades dos dados geográficos Tipos de dados geográficos Características dos dados espaciais Sistema de informação geográfica-urbano ArcView GIS Estrutura de dados Topologia Camadas NAVSTAR GPS Características dos sinais GPS Descrição dos receptores GPS Modelo utilizado Microcontroladores Microcontrolador Porta serial Modo Síncrono de Comunicação Modo Assíncrono de Comunicação Canais Simplex, Half-Duplex e Full-Duplex Interface serial no Comunicação RS-232 para o Comunicação serial entre os módulos Transmissão Rádio freqüência Transmissão via satélite Finalidade Órbita Transmissão via telefonia celular Especificação do Hardware Análise dos meios de transmissão Lista de componentes Diagrama do hardware Esquemático do circuito Especificação do software Software de recepção e conversão dos dados SGBD (sistema gerenciador de banco de dados) Especificação da validação do projeto iv

5 2.13 Custos Cronograma Descrição do software Casos de uso Diagrama de caso de uso Diagrama de classes (do software de aquisição) Diagrama de seqüência Inserir dados sobre acidentes de trânsito Consultar o sistema Inserir base-geográfica Alterar Base-geográfica Resultados Conclusão Referencias bibliográficas...57 v

6 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Diagrama em blocos do projeto... 4 Figura 2 Conceitos gráficos de localização, relação e descrição...13 Figura 3 Conjunto de definições dos objetos espaciais...14 Figura 4 - Exemplo de camadas...18 Figura 5 Diagrama em blocos do GPS...21 Figura 6 - Comutação entre dispositivos...29 Figura 7 Diagrama em blocos...34 Figura 8 - Diagrama do hardware coletor de dados...37 Figura 9 Diagrama do módulo transmissor...37 Figura 10 Fluxograma do programa do microcontrolador...39 Figura 11 - Esquemático do circuito utilizado no hardware...40 Figura 12 Diagrama de contexto do software...41 Figura 13 - Tela principal do sistema...52 Figura 14 - Tela principal com aproximação sobre os pontos...53 Figura 15 - Caixa de pesquisa...53 Figura 16 - Pesquisa realizada...54 Figura 17 - Informações sobre um ponto...55 Figura 18 - Diferença entre dois pontos com mesma localização...55 vi

7 LISTA DE SIGLAS A/D Analógico/Digital ESRI - Environmental Systems Research Institute Freq. Freqüência GPS Global Positioning System NAVSTAR - NAVigation Satellite with Time And Ranging NCET - Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas Rf Radio freqüência Rx Módulo de recepção SIG Sistema de informações geográficas TTL Transistor Transistor Logic, Lógica transistor-transistor Tx Módulo de transmissão UNICENP Centro Universitário Positivo vii

8 LISTA DE SÍMBOLOS Kbps KHz MHz Kilo bits por segundo Kilo Hertz Mega Hertz - ohm V - Volts viii

9 RESUMO Neste trabalho é apresentado um sistema que possibilita a aquisição e gerenciamento de dados sobre acidentes de trânsito através do uso da tecnologia de geoprocessamento. Neste projeto os dados sobre os acidentes de trânsito são coletados em campo por meio de um equipamento portátil e transmitidos para uma base, chamada de central de geoprocessamento, via telefonia celular. Desta forma é possível observar os locais onde ocorrem o maior número de acidentes e extrair informações sobre eles, permitindo que seja possível agir corretiva e preventivamente. Palavras-chave: Bancos de dados geográficos, Sistemas de informações geográficas. ix

10 ABSTRACT In this project is presented a system that makes data acquisition and management on traffic accidents through using geographic information system technology. The traffic accidents data are collected in field by means of a portable equipment and transmitted to a base, called geographic information system central office, by telephony cellular. Doing that is possible to observe the places where occur the largest number of accidents and generate statisticians about them, allowing the possibility to act corrective and preventively. Key-words: Geographic Data bases, Systems of geographic information. x

11 1 INTRODUÇÃO No Brasil, o número de acidentes vem sofrendo um aumento gradual a cada ano, sendo que a grande maioria deles acontece no perímetro urbano. Isto é uma conseqüência da rápida urbanização, que satura a capacidade do uso das vias, causando um elevado número de acidentes. Para corrigir esta crescente desorganização nas vias, os órgãos gestores de trânsito necessitam de informações confiáveis, com grande velocidade, para que possam tomar decisões corretas diante das mais diversas situações. Neste projeto é apresentado um sistema de aquisição e gerenciamento de dados sobre acidentes de trânsito, que se utiliza da tecnologia de geoprocessamento. O projeto utiliza ferramentas da engenharia para solucionar um problema de contexto global. Assim sendo, este trabalho é uma ferramenta para ajudar no controle e monitoração de acidentes de trânsito. Uma aplicação bastante clara do projeto é no auxílio para a tomada de uma ação preventiva. Uma região onde ocorre um grande número de acidentes pode ter um fluxo excessivo de veículos podendo, por exemplo, através de um diagnóstico do sistema, mudar-se a malha de ruas desta região. Um cruzamento com grande número de colisões entre veículos pode ter seu sentido alterado, uma avenida onde existe muitos atropelamentos pode ter seu limite de velocidade reduzido. Desta maneira este projeto faz-se muito útil para o departamento de trânsito de uma cidade ou de uma malha rodoviária, bastando somente a adaptação do projeto para cada caso. 1

12 2 ESPECIFICAÇÃO 2.1 Descrição Este projeto faz uso da axiomática da localização e do processamento de dados geográficos, para ajudar na análise e prevenção de acidentes de trânsito, bem como levantar dados estatísticos sobre eles. Isso é possível pois, com a coleta, tratamento, análise e apresentação das informações quase que instantaneamente em mapas digitais geo-referenciados; podem ser pesquisados locais, número de vítimas e épocas do ano em que mais ocorrem acidentes. Com uma base de dados consistente é possível gerar informações para a tomada de decisões para a prevenção de acidentes. Isto pode ser feito através de uma melhora na sinalização, da implantação de um semáforo, da limitação de velocidade (com lombada ou radar eletrônico), da implantação de faixas de pedestre, ou até mesmo uma mudança das vias de trânsito locais. Sendo estas decisões totalmente fundamentadas em dados concretos, o que é possível através do uso da tecnologia de geoprocessamento, a possibilidade de um erro é minimizada. 2.2 Motivação A população mundial vem aumentando significativamente nos últimos 30 anos, e com isso acarreta-se uma necessidade também crescente de melhoria nos meios de transporte. É preciso garantir que um volume cada vez maior de pessoas faça valer o seu direito de ir e vir, e um número também maior de cargas e informações precisa trafegar de canto à canto do globo, seja por estradas de rodagens, vias públicas, transporte aéreo ou marítimo. Para este volume intenso de tráfego é preciso constantemente estabelecer e aprimorar regras para se obter ordem neste meio comum. Por exemplo, em uma via pública é necessário periodicamente se fazer uma avaliação de fluxo dos veículos que ali transitam diariamente, do número de acidentes ocorridos etc. 2

13 Neste contexto o projeto está inserido, um sistema de informação para auxilio a tomada de decisões, sendo útil para o departamento de trânsito de uma cidade. 2.3 Objetivos O objetivo deste projeto é criar um sistema de aquisição e gerenciamento dos dados sobre acidentes de trânsito de forma que, ao acontecer um acidente, um agente possa obter in loco as coordenadas GPS (Global Positioning System), os dados do número de feridos, e o número de vítimas fatais do acidente; e os forneça ao módulo transmissor. Estas informações são transmitidas para uma central de geoprocessamento onde é feita a análise dos dados e onde pode-se visualizar o local onde ocorreu o acidente, bem como seus dados. 2.4 Descrição Descrição geral do sistema O sistema faz a aquisição dos dados em campo a partir de um hardware coletor, onde são digitados os dados referentes aos acidentes. Os dados são: 1. as coordenadas GPS, que são obtidas automaticamente pelo módulo coletor de dados; 2. as informações do número de feridos e 3. o número de vítimas fatais. Após a etapa de entrada dos dados é feita a transmissão para uma central chamada de central de geoprocessamento, onde os dados são primeiramente recebidos. Em seguida, é realizado um tratamento e análise desses dados para gerar a visualização das informações sobre os acidentes em um software de geoprocessamento. Ao término de todo o tratamento dos dados é possível extrair informações como: em que local ocorre o maior número de acidentes, onde ocorre o maior número de acidentes com vítimas fatais e 3

14 onde ocorre o maior número de acidentes sem vítimas. Na figura 1 pode-se observar o diagrama em blocos do projeto, onde cada caixa indica um módulo importante da implementação. Módulo GPS Entrada dos dados Formatação dos dados para envio Transmissão via telefonia celular Recepção dos dados Figura 1 - Diagrama em blocos do projeto Módulo Adicional Como módulo adicional foi proposto o acoplamento de uma câmera fotográfica (uma web-cam por exemplo) ao hardware de coleta e transmissão. Desta forma, além dos dados de localização e informação sobre o acidente, poderão ser enviadas fotografias das placas dos automóveis envolvidos no mesmo Módulos do sistema O sistema em questão pode ser dividido em 5 partes funcionais, são elas: módulo coletor de dados, módulo transmissor e receptor, módulo de conversão do formato de dados, módulo de geoprocessamento e o módulo de extração de informações do sistema: 4

15 O módulo coletor de dados tem uma interface onde é feita a entrada dos dados. Este módulo faz também a coleta automática das coordenadas GPS. O módulo transmissor e receptor faz a comunicação entre o módulo coletor e a central de geoprocessamento. O módulo de conversão do formato de dados faz a comunicação entre dois sistemas diferentes de dados, colocando os dados no formato exigido pelo software de geoprocessamento. O módulo de geoprocessamento tem uma interface com usuário que mostra as saídas do sistema, pontos em que ocorreram acidentes e informações sobre eles. O módulo de extração de informações do sistema, faz uma pesquisa em todos os pontos e mostra ao usuário os resultados. 2.5 Sistemas de informação geográfica (SIG) Geoprocessamento A geografia é uma ciência antiga. O corpo de conceitos por ela desenvolvida é amplo e complexo. São exemplos os conceitos de região, paisagem e ambiente, de uso corrente na literatura geográfica há muitas décadas. O geoprocessamento, ao contrário, é um campo de conhecimento (e de atividade) recente. Os sistemas de informação geográfica (SIG), utilizando o Geoprocessamento, constituem uma estrutura de interface entre a Geografia, o Processamento de Dados e a Comunicação (ou Teoria da informação). Esta estrutura é merecedora da atenção crescente que tem recebido por parte de geógrafos e especialistas em computação, tendo despertado vigoroso interesse não apenas destes profissionais, mas de toda a comunidade ambientalista e, em boa medida, de administradores responsáveis por problemas que tenham expressão territorial. Administrar com eficiência recursos ambientais disponíveis em um vasto território é um desafio. Enfrentar este desafio, respeitando e promovendo a qualidade de vida dos habitantes, é tarefa de mérito comparável à sua envergadura (Xavier da Silva, 1997). 5

16 O conceito SIG (Sistema de Informação Geográfica) foi desenvolvido originalmente nos anos 60, como um meio de sobrepor e combinar diversos tipos de dados em um mesmo mapa. O SIG associa atributos gráficos e não-gráficos de recursos cartográficos. Os mapas resultantes mostram dados geográficos, ambientais ou demográficos, separadamente ou em combinação. O SIG possui uma estrutura flexível de dados baseada em relações topológicas. Os sistemas típicos apresentam recursos de ponto, linha e área, cada linha tendo dados com ligação e configuração espacial. Esta informação coordenada tem, então, remissão recíproca com arquivos de atributos(xavier da Silva, 1997).. Pode-se dizer que sistemas de informação geográfica são sistemas destinados ao tratamento de dados referenciados espacialmente. Estes sistemas manipulam dados de diversas fontes como mapas, imagens de satélites, cadastros e outras, permitindo recuperar e combinar informações e efetuar os mais diversos tipos de análise sobre os dados (Paredes,1994). A utilização em larga escala de tais sistemas tornou-se possível a partir da disponibilidade, a custos aceitáveis, de diversas tecnologias como a cartografia digital, os banco de dados e o processamento digital de imagens. Tipicamente, um SIG combina essas tecnologias com técnicas de análise e manipulação da informação espacial (Xavier da Silva, 1997) Características funcionais dos SIG S O SIG é um sistema que subsidia o processo de observação do mundo real em atividades de definição, mensuração, classificação, enumeração. Faz a atuação sobre o mundo real em atividades de operação, manutenção, gerenciamento, construção, etc. Normalmente, o SIG realiza as seguintes funções básicas: aquisição; gerenciamento; análise e exibição de resultados. A função de aquisição está relacionada com a conversão de informações analógicas em digitais. A coleta de dados é proveniente de diversas fontes como 6

17 fotografias aéreas, ortofotos 1, levantamentos topográficos e aerofotogramétricos, imagens de satélites, mapas bi e tridimensionais, cartas, relatórios estatísticos, levantamentos de população e outras fontes de informações, obtidas por intermédio de restituidores, ortoprojetores, fitas magnéticas, digitalizadores e entrada de dados via teclado (Paredes, 1994). A função de gerenciamento consiste na inserção, remoção ou modificação dos dados, sendo normalmente realizada através de um sistema de gerenciamento de banco de dados ( SGBD ), normalmente comportando as seguintes tarefas: armazenamento em banco de dados; manutenção e recuperação de dados; preservação da integridade dos dados; controle de processo e manipulação de arquivos (criar, inserir, modificar). A função de análise efetua o exame dos dados que contenham informações relacionadas, a fim de gerar novas informações que atendam às diversas visões externas permitidas pelo sistema. Nesta etapa, poder-se-ão realizar as seguintes tarefas: seleção e agregação de informações; controle da geometria e topologia; conjugação de informações temáticas e extração de informações estatísticas. A função de exibição de resultados refere-se principalmente à representação dos resultados dos dados manipulados e poderá ser exclusivamente constituída por dados não-gráficos (Xavier da Silva, 1997) Dados geográficos 1 Ortofotos Imagem fotográfica onde as feições nela contidas são apresentadas em suas verdadeiras posições, sendo desta forma, geometricamente equivalente a um mapa de linhas e símbolos, onde podem ser feitas medidas diretas de posição, distâncias, ângulos horizontais e áreas. 7

18 A Geografia assim como os dados que a descrevem fazem parte do mundo o nosso dia-a-dia. Normalmente, cada decisão que tomamos é obrigada, influenciada ou ditada pelos fatores da geografia. Estudos indicam que aproximadamente 90% das decisões feitas pelas prefeituras e órgãos estaduais ou federais, estão relacionadas com a geografia. Desta forma, informação geográfica é o conjunto de dados (físicos, sociais, econômicos, etc), cujo significado contém uma associação ou relação com uma localidade específica (Xavier da Silva, 1997). O mundo real consiste de muitas características geográficas. Elas permitem efetivar diversas tarefas temáticas e ajudam responder perguntas como: onde está? Quais são suas características? Como se relacionam entre eles e entre suas características?, etc Natureza dos dados geográficos Um SIG é muito mais do que um software de tecnologia avançada para efetivar estudos de diferentes temas. Na verdade, o SIG nos leva ao entendimento da própria natureza dos dados espaciais, das formas ou dos caminhos que as razões humanas nos levam a apreender sobre eles e dos processos de decisões baseados nesses dados. Dessa forma, é importante conhecer a natureza dos dados espaciais, especialmente saber como as variações geográficas podem ser descritas e medidas, ou como pode sua incerteza e o erro serem conhecidos. A geografia é vista na Base de Dados (BD) do SIG como um depósito ocupado por objetos, cujo espaço é definido através de relações entre locais. Vários espaços podem ser visualizados dependendo da natureza desses relacionamentos. O verdadeiro valor do SIG está na habilidade de analisar os dados espaciais (Goodchield,1988). Por exemplo, tarefas descritivas, como localize e mostre todos os grupos populacionais acima de 5000, engloba questões do tipo que ou onde (bom para planejamentos) e respostas de questões analíticas do tipo: por que, que se ( talvez para construir modelos ou simular predições) se requer o acesso a dados descritivos e a informações localizacionais. Esses exemplos mostram a necessidade de pesquisar amplamente os conceitos sobre os tipos de espaços apropriados e sua forma 8

19 de estruturar e manipular. Assim, é fundamental definir o espaço e a construção da tipologia de espaços ( Paredes, 1994) Propriedades dos dados geográficos Todos os dados gráficos ou fenômenos geográficos possuem propriedades intrínsecas que precisam ser conhecidas, sobretudo para os propósitos de geocodificação. Normalmente, são as seguintes: Localização - Assim como se usa a terceira dimensão ( Z ) para descrever a elevação da superfície terrestre, as duas dimensões ( X,Y) de localização sobre o plano ou a esfera são propriedades geográficas básicas para determinar a posição dos dados geográficos. A grande maioria dos sistemas de coordenadas são cartesianos. Dessa forma a localização é uma característica fundamental dos dados geográficos e cartográficos. Volumetria Bases de dados geográficos e cartográficos contém milhares ou milhões de elementos de dados. Muitos problemas de processamento de dados cartográficos estão relacionados aos problemas geométricos de grande conjunto de dados. Como resultado, em cartografia computadorizada, há problemas de memória e eficiência na estrutura de dados. Por isso, o custo de armazenamento de dados é alto. Mesmo porque o volume de armazenamento, o tempo de acesso a esse volume, são considerações importantes que devem ser superadas. Dimensionamento Normalmente, a cartografia tem dividido as entidades em pontos, linhas e áreas. Deve-se conhecer que o mensuramento varia desde nominal, ordinal, intervalo até razão. Continuidade Alguns tipos de mapas como os altimétricos assumem uma distribuição contínua, enquanto outros, como mapeamentos cloropléticos (mapas onde é possível explorar visualmente o dado objeto de análise) assumem distribuição descontínua. A continuidade é uma propriedade geográfica importante, mas que nem sempre obedece à distribuição estatística. Entretanto, a classificação do espaço por áreas ou regiões é possível graças à continuidade. 9

20 Tamanho Muitos fenômenos geográficos podem ser medidos diretamente, por exemplo, por levantamentos topográficos ou fotografias aéreas. Um ponto é medido a nível de localização (X,Y), adjacência e elevação. Uma linha possui comprimento, direção, conectividade e movimentação. Um polígono possui topologia, área, limites, perímetro, localização e orientação. O volume tem topologia, continuidade, declividade, vertente, superfície, localização e elevação. Muitas dessas propriedades são relativamente fáceis de medir se a base de dados cartográfica estiver codificada. Outros são extremamente difíceis e como tal, são usados para analisar após serem abstraídos dos mapas. As medições são implementadas usando-se certos algoritmos. Distribuição A densidade é uma medida de distribuição dos fenômenos que se distribuem no espaço. A densidade pode ser calculada pela contagem dos objetos cartográficos e pelos atributos de um conjunto de unidades geográficas. A densidade de um fenômeno geográfico possui grande aplicação não apenas na medida e geocodificação, mas também na generalização, tematização e simbolização do mapa. Padrão Os padrões descrevem a estrutura da distribuição dos fenômenos geográficos. Essa descrição envolve proximidade e cruzamento entre objetos. Esse relacionamento envolve distância e tamanho dos padrões bem como evidencia sua repetitividade. Vizinhança Se o padrão é a repetição de um atributo sobre o espaço, a vizinhança define a variação do dado geográfico no espaço. Cada variação depende da distância, indicando que distâncias de separação pequenas significam similaridade e grandes distâncias indicam desuniformidade. Dentro da geografia, a função distância tem sido caracterizada e medida usando-se ferramentas como funções de correlação, modelos de interação espacial, modelos de destruição de distâncias, etc.. Contigüidade Normalmente, a contigüidade está relacionada à justaposição (situação de contigüidade) dos dados, por isso, é uma expressão geográfica do campo topológico. No partilhamento de limites comuns em mapas políticos, 10

21 interessa o comprimento desse limite, medido geometricamente, assim como em coberturas de solos, uso do solo, etc. A contigüidade é expressa de diversas maneiras e definida em termos de limite partilhado, como redes, indicando conectividade e na forma de pixeis na estrutura de grid. Forma A medição direta da forma é bastante difícil e complexa. A forma representa a composição de gráficos de pequenas dimensões. Escala É uma propriedade quantitativa dos dados cuja representação varia e sua faixa é limitada pela finalidade cartográfica dos fenômenos. Sua particularidade é prover precisão topográfica e característica métrica aos dados ou fenômenos geográficos (Xavier da Silva, 1997) Tipos de dados geográficos Normalmente, os dados geográficos compreendem três tipos: O dado espacial, que se refere à localização, à forma e às relações entre as entidades espaciais. Um dado espacial é um elemento localizado no espaço mediante um sistema predefinido de coordenadas que podem ser descritas por meio de atributos e sua relação com outros elementos pode ser perfeitamente estabelecida. O dado descritivo, que se refere às características da entidade espacial ( também denominado atributo ). O dado temporal, que se refere ao período ou época da ocorrência do fenômeno ou fato geográfico. Em abordagem simplificada, o SIG manipula dois tipos de dados principais: geométricos, que descrevem características do próprio espaço ou características geométricas de objetos; e não geométricos, que descrevem outros tipos de características ( Paredes, 1994). Os dados geométricos se caracterizam, marcadamente, por serem: Posicionais caracterizam a posição de um objeto. Atributos de posição são necessários para caracterizar diferentes objetos ou diversos fatos geográficos 11

22 como uma cidade, a fronteira entre dois municípios, e um ponto de coleta de lixo, áreas inundadas, precipitação pluviométrica, etc.. Topológicas caracterizam relacionamentos de vizinhança ou de conexão entre objetos. Dois municípios divididos por um rio ou duas cidades conectadas através de uma malha viária são exemplos de objetos entre os quais podem existir relacionamentos de natureza topológica. Amostrais caracterizam valores de grandezas físicas ou de outras propriedades de um ponto ou de uma região. Dados amostrais podem ser, por exemplo, o valor da altura de um ponto num MDT ( Modelo Digital do Terreno ), ou o nível de refletância de um pixel numa imagem de satélite, etc Características dos dados espaciais Os dados espaciais são aqueles que se referenciam no espaço terrestre por meio de coordenadas x,y ( que descrevem a localização ) e uma variável z, que representa o atributo. Os dados espaciais descrevem objetos do mundo real em termos de posição com relação a um sistema de coordenadas, de atributos (cor, custo, etc) e parâmetros espaciais pelas relações topológicas, e descrevem a união desses dados entre si. Desta forma a: localização: define a condição geométrica das entidades; normalmente identificado por coordenadas; relação: define a topologia das entidades, sempre identificadas por apontadores e descrição: define os atributos das entidades, geralmente identificados por códigos. As figuras seguintes ilustram, graficamente, os conceitos de localização, relação e descrição. Na figura de localização observa-se as coordenadas que compõem cada segmento de reta (Xn, Yn), na figura de descrição a legenda mostra qual o tipo de solo em cada área do gráfico; e na figura de relação está sendo mostrado a relação entre as duas outras figuras. 12

23 Y LOCALIZAÇÃO X1 Y1 X9 Y9 X2 Y2 X3 Y3 X8 Y8 X7 Y7 X4 Y4 X6 Y6 X5 Y5 Y DESCRIÇÃO Y 9 8 RELAÇÃO X X X 1= Solo arenoso, área urbana, população,etc... O sentido da direção é: desde...>até 2=Solo argiloso,área rural,despovoado,etc... A localização é: à direita de, abaixo de,etc.. 3= Exploração mineira, vias em construção, etc... 4= Área desértica, vegetação,etc... <atributo,atributo,...,atributo> Figura 2 Conceitos gráficos de localização, relação e descrição FONTE: adaptada de paredes (1994), pág. 120 A padronização dos dados espaciais está baseada em entidades do mundo real e o mecanismo para representá-las é feito sob objetos numa base de dados cartográfica. Dentro dessa proposta existem conjuntos de definições dos objetos espaciais, que estão divididos em classes baseadas na dimensão espacial dos mesmos. Um objeto 0 dimensional é um ponto que especifica uma localização geométrica. Pelo enfoque matemático o ponto é uma localização primitiva que não possui área. Esses pontos são usados também para posicionar textos, símbolos, etc. Um objeto 1-dimensional é uma linha entre dois pontos. Possuem muitas formas complexas: retas e curvas resultantes de funções matemáticas. Nessa linha, diferenciam-se perfeitamente o ponto final como início da linha e ponto final como fim da linha, que são aspectos importantes numa análise de redes. Um objeto 2-dimensional é uma área que também apresenta diversas formas. Os exemplos seguintes ilustram, globalmente, as variações e as condições deste tipo de dados: 13

24 - Única Coordenada X, Y; - Sem comprimento; - Sem área - Acidente de trânsito; - Árvore de rua; -Altitude; -Título de áreas; - Início e final de linhas Pontos Formato Exemplos - Cadeia de coordenadas x, y com ponto inicial e final; - Tem comprimento mas não área. - Estradas; - Redes de drenagem; - Lihas de rotas; - Linhas de falhas; - Limites de áreas. Linhas Formato Exemplos - Cadeia de coordenadas com mesmo ponto inicial; - Possui comprimento, e área. - Parcelas; - Rodovias; - Construções; - Solos; - Distritos; Polígonos Formato Exemplos - Área com coordenada vertical; - Tem área, comprimento e elevação - Mapa de declividade; - Plano de vertentes. Superfícies Formato Exemplos Figura 3 Conjunto de definições dos objetos espaciais FONTE: adaptado de Paredes (1994), pág

25 2.5.2 Sistema de informação geográfica-urbano É tarefa fundamental da administração municipal receber e administrar a população urbana, isto é, prever e direcionar o crescimento físico e sócio-econômico da cidade e dos bairros, ordenar a expansão da malha urbana, e assegurar, ao mesmo tempo, o acesso de todos à educação, saúde, alimentação, habitação, ao emprego, ao transporte, à cultura, recreação, segurança e infra-estrutura urbana, e ordenar o pleno desenvolvimento das funções sociais da cidade e garantir o bem-estar de seus habitantes (Xavier da Silva, 1997). Entretanto, esses serviços estão aquém das reais necessidades dos municípios e tende isso a se agravar durante as próximas décadas, uma vez que o processo de urbanização marcha a um ritmo muito mais acelerado do que as possibilidades de planejar e controlar esse crescimento. Tal condição, propicia uma ocupação irracional do espaço e, conseqüentemente, gera a anarquia na localização das atividades urbanas que altera e afasta cada dia mais o desenvolvimento dessas possibilidades. É fácil notar que as características do processo urbano de muitas cidades, apresentam os seguintes aspectos: imprecisão geral nos limites das áreas urbanas, suburbanas e rurais; serviços públicos funcionais totalmente ultrapassados e sobrecarregados na sua capacidade; as redes de infra-estrutura, deficientes e insuficientes, não acompanham o ritmo de expansão da malha urbana; os componentes básicos do ambiente natural, alguns de difícil restauração, configuram imagens deterioradas à paisagem urbana; insegurança permanente na tomada de decisão sobre o desenvolvimento da cidade, fazendo da vida urbana uma sucessão de fatos aleatórios e atentatórios contra o conforto e segurança das pessoas. Pode-se perceber que a maior parte desses problemas deve-se ao processo arcaico de organizar, armazenar e manipular informações, ao uso de métodos ultrapassados e aos técnicos sem alternativas de modernização. Agrava-se ainda o problema, quando os dados existentes em diversos setores e entidades municipais não se referenciam numa base comum, e os registros não podem ser atualizados com igual grau de automatização. Assim, os sistemas tradicionais de armazenamento das 15

26 informações tornam-se rapidamente obsoletos. Logo, as condições existentes dificultam o fluxo e o cruzamento das informações entre os diversos setores e entidades municipais. Para enfrentar e responder a esses problemas, o planejador urbano e o administrador necessitam, não apenas inovar os meios que lhe permitam uma melhor atuação em relação ao passado, contando com uma ferramenta rápida, possível de implementar, econômica e simples, mas também incrementar procedimentos capazes de registrar, medir e contabilizar a informação, bem como de tratar grande volume de informações que reflitam a atual realidade urbana, de interpretar essa realidade, de propor alternativas e de auxiliar na tomada de decisões de uma forma rápida, precisa, eficiente e contínua (Paredes, 1994) ArcView GIS O ArcView GIS é um SIG desktop com interface gráfica que permite carregar dados espaciais e descritivos para que se possa visualizá-los em mapas, tabelas e gráficos. Inclui ainda ferramentas necessárias para inquirir e analisar os dados, bem como apresentá-los em mapas de elevada qualidade. O software ArcView foi desenvolvido pela empresa Environmental Systems Research Institute (ESRI), para efetuar análises em ambiente de SIG. Todas as atividades no âmbito do Arcview estão organizadas sob um Project, o que pode estar constituído por uma série de Views, Tables, Charts(gráficos sobre dados), Layouts, e Scripts. Scripts são programas na linguagem Avenue (linguagem de programação do ArcView). As funções do Arcview incluem a apresentação de planos de informação numa View, tabelas de atributos relacionados a essa View, tabelas de atributos relacionados em função de campos chave, criação de gráficos para a visualização de informações espaciais, e a criação de layout s para a apresentação de informações supridas pelas Views, Charts, etables (Ormsby,1999). 16

27 Estrutura de dados Existem dois tipos de estruturas de dados no arcview: topologia e camadas Topologia A informação topológica descreve a relação espacial entre as características e geralmente não é mudada pelo operador SIG. Ao descrever a posição de alguma coisa, geralmente diz-se que está à esquerda, ao lado de, ou a determinada distância de qualquer outra coisa. Esta definição não é precisa o suficiente para um SIG. Um SIG requer as definições precisas que a topologia fornece para realizar numa análise espacial. A topologia define a relação posicional de características ao definir suas propriedades. Inclui informações sobre que rótulos estão ligados a cada característica, como os pontos estão ligados uns aos outros e que pontos e linhas formam um polígono em particular. Esta informação está armazenada no SIG. A informação topológica permite que o SIG efetue funções de relação espacial como a sobreposição de polígonos, que possa isolar polígonos e determinar se uma linha está dentro de um polígono e determinar a proximidade entre características Camadas A maioria dos SIG permite a separação de informações de um mapa em categorias lógicas chamadas de camadas de mapa (layers). Estas também são conhecidas como temas de mapa, níveis ou coberturas. As camadas geralmente contém informações sobre um só tipo de característica, como áreas de tipo de solo ou sobre um pequeno grupo de características relacionadas, tais como utilidades públicas (por exemplo, telefone, gás e linhas elétricas). Os dados separam-se de maneira lógica em camadas de mapa para que assim possam ser manipulados e analisados espacialmente, sejam sozinhos ou em combinação com outras camadas. Para obter-se resultados analíticos significativos, as 17

28 camadas no SIG devem registrar-se uma com respeito à outra pelo sistema de coordenadas comum da base de dados. As camadas podem ser usadas para criar mapas compostos com a sobreposição delas numa tela de computador da mesma maneira que se sobrepões transparências de acetato num projetor. Durante a análise criam-se novas sobreposições com a combinação matemática de sobreposições já existentes. Pode-se usar compostos novos para criar cenários alternativos. Logicamente ao separar os dados em camadas facilita o manejo e uso da base de dados e seus produtos. Na figura 4 observa-se um exemplo de uso de camadas. Figura 4 - Exemplo de camadas 2.6 NAVSTAR GPS O GPS, ou NAVSTAR-GPS, é um dispositivo de radionavegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América DoD (Department of Defense), com o intuito de ser o principal sistema de navegação das forças armadas 18

29 americanas. Ele resultou da fusão de dois programas financiados pelo governo norteamericano para desenvolver um sistema de navegação de abrangência global: Timation e System621B, sob responsabilidade da Marinha e da força Aérea. Em razão da alta acurácia proporcionada pelo sistema e do grande desenvolvimento da tecnologia envolvida nos receptores GPS, uma grande comunidade usuária emergiu dos mais variados segmentos da comunidade civil (navegação, posicionamento geodésico, agricultura, controle de frotas etc.). O GPS é um sistema de abrangência global. Esse sistema tem facilitado todas as atividades que necessitam de posicionamento, fazendo que algumas concepções antigas pudessem ser postas em prática. Um exemplo é o desenvolvimento da agricultura. O GPS permite que um usuário, em qualquer local da superfície terrestre, ou próximo a ela, tenha à sua disposição, no mínimo, quatro satélites para serem rastreados, esse número permite a realização de um posicionamento em tempo real. O conceito básico do GPS consiste na medida da distância entre o usuário e quatro satélites. Conhecendo as coordenadas dos satélites num sistema de referência apropriado, é possível calcular as coordenadas da antena do usuário no mesmo sistema de referência dos satélites (Galera, 2000) Características dos sinais GPS Cada satélite GPS transmite duas ondas portadoras: L1 e L2. Elas são geradas a partir da freqüência fundamental de 10,23 MHz, que é multiplicada por 154 e 120, respectivamente. Dessa forma, as freqüências (L) e os comprimentos de onda ( de L1 e L2 são: L1 = 1575,42 MHz e cm L2 = 1227,60 Mhz e cm. Essas duas freqüências são geradas simultaneamente, permitindo aos usuários, corrigir grande parte dos efeitos em razão da refração ionosférica. Os códigos que formam o PRN são modulados, em fase, sobre essas duas portadoras. Essa técnica permite realizar medidas de distâncias a partir da medida do tempo de propagação da modulação (Leick, 1995). 19

30 Um PRN é uma seqüência binária de +1 e -1, ou 1 e 0, que parece ter característica aleatória. Como é gerado por um algoritmo, pode ser univocamente identificado. Trata-se basicamente dos códigos C/A e P. O código C/A ( Coarse Acquisition fácil aquisição), com comprimento de onda por volta de 300m, é transmitido a uma razão de 1,023 MHz. Ele é gerado a partir do produto de duas seqüências PN ( Pseudorandom pseudo-aleatória), denominadas G1 e G2, cada uma com período de bits. O código C/A resultante também consistirá de bits, com período de 1ms. Cada satélite transmite um código C/A diferente, dentre os 37 definidos no ICD GPS-200C (Spilker, 1996). Isso poderia causar dificuldades para um receptor GPS distinguir entre todos os códigos possíveis. No entanto, o código C/A faz parte de uma família de códigos (gold codes), que tem como característica básica a baixa correlação entre seus membros. Isso possibilita a rápida distinção dos sinais recebidos, simultaneamente, de vários satélites (Leick,1995). O sinal é modulado somente sobre a portadora L1. Esse é o código a partir do qual os usuários civis obtêm as medidas de distâncias que permitem atingir a acuracidade estipulada no GPS (Galera,2000) Descrição dos receptores GPS Os principais componentes de um receptor GPS, tal como mostrado na figura 5, são( Seeber,1993): antena com pré-amplificador; seção de RF ( radiofreqüência ) para identificação e processamento do sinal; microprocessador para controle do receptor, amostragem e processamento dos dados; oscilador; interface para o usuário, painel de exibição e comandos; provisão de energia e memória para armazenar os dados. 20

31 Antena e préamplificador Processador de sinal oscilador Suprimento de energia Rastreador do código Microprocessador Unidade de comandos e display Rastreador da fase memória Descarregador externo de dados Figura 5 Diagrama em blocos do GPS Fonte: adaptada de GALERA (2000) A seguir são detalhados os principais componentes do receptor GPS: antena a antena detecta as ondas eletromagnéticas emitidas pelos satélites, converte a energia da onda em corrente elétrica, amplifica o sinal e o envia para a parte eletrônica do receptor. Em razão da estrutura dos sinais GPS, todas as antenas devem ser polarizadas circularmente à direita. Seção de Rf os sinais que entram no receptor são convertidos na divisão de RF para uma freqüência mais baixa, denominada freqüência intermediária (fi), que é mais fácil de ser tratada nas demais partes do receptor. Isso é realizado pela combinação do sinal recebido pelo receptor com um sinal senoidal gerado pelo oscilador do receptor. Normalmente, os osciladores dos receptores GPS são de quartzo. Canais o canal de um receptor é considerado a sua unidade eletrônica primordial, podendo o receptor possuir um ou mais canais. Os tipos de canais podem ser 21

32 divididos em multicanais (canais dedicados), seqüenciais e multiplexados.nos receptores multicanais, também denominados canais paralelos, cada canal rastreia continuamente um dos satélites visíveis. No mínimo quatro canais são necessários para obter posição e correção do relógio em tempo real. Nos receptores seqüenciais, o canal alterna entre satélites dentro de intervalos regulares, normalmente não coincidentes com a transmissão dos dados, fazendo com que a mensagem do satélite só seja recebida completamente depois de várias seqüências. Microprocessador o microprocessador é necessário no controle das operações do receptor (obter e processar o sinal, decodificar a mensagem de navegação), bem como para calcular posições e velocidades, além de outras funções (por exemplo, controle dos dados de entrada e saída e mostrar informações). Ele utiliza dados digitais para efetuar suas funções(galera,2000) Modelo utilizado Para a implementação do projeto foi utilizado o GPS da GARMIN modelo etrex Camo. Foi escolhido este modelo de GPS devido a sua forma de transmissão serial e o baixo custo perante outros modelos e marcas existentes no mercado. Na tabela 1 observa-se o formato de envio dos dados pelo GPS utilizado. Descrição do campo Tamanho Formato 22

33 Data e Hora posição Velocidade Inicio do quadro 1 Ano 2 2 últimos dias do UTC ano Mês 2 UTC mês, Dia 2 UTC dia do mês, Hora 2 UTC hora, Minuto 2 UTC minuto, Segundo 2 UTC seundo, Hemisfério da latitude 1 N ou S latitude 7 WGS84 ddmmmmm Hemisfério da longitude 1 E ou W longitude 8 WGS84 dddmmmmm Status da posição 1 'd' se posição 2D diferencial 'D' se posição 3D diferencial 'g' se posição 2D atual 'G' se posição 3D atual 'S' se posição simulada '_' se posição inválida Erro horizontal 3 Em metros Sinal da altitude 1 + ou - altitude 5 Abaixo ou acima do nível do mar em metros leste/oeste velocidade 1 'E' ou 'W' direção leste/oeste 4 Metros por segundo Velocidade magnitude ("1234" = m/s) norte/sul 1 'N' or 'S' velocidade direção norte/sul 4 Metros por segundo velocidade magnitude ("1234" = m/s) Velocidade vertical 1 'U' (para cima) or 'D' (para baixo) direção Velocidade vertical 4 Metros por segundo magnitude ("1234" = m/s) Fim de quadro 2 Retorno de carro, '0x0D', e nova linha, '0x0A' Tabela 1 Formato do quadro de dados enviado serialmente pelogps 23

34 2.7 Microcontroladores Um microcontrolador é um dispositivo utilizado para controlar e monitorar funções durante um processo. A partir do advento dos circuitos integrados TTL (Transistor Transistor Logic, Lógica transistor-transistor), pode-se delinear três gerações no que diz respeito à implementação de controladores. Na primeira geração estão os projetos envolvendo circuitos integrados TTL, na sua maioria. O alto consumo de energia, a grande quantidade de chips envolvidos e a dificuldade em se realizar reengenharia nos microcontroladores de primeira geração tornou a segunda geração atraente aos projetistas. Então, o advento dos microprocessadores possibilitou projetos de circuitos destinados ao controle, obtendo-se a segunda geração dos controladores. Boa parte das funções antes implementadas por hardware passaram a ser implementadas por software. A terceira geração veio para integrar em um único chip boa parte dessa estrutura. Microcontroladores da terceira geração integram as funções de um microprocessador, memória de dados e de instruções, e ainda, dependendo da complexidade, portas seriais e paralelas bidirecionais, conversores A/D, timers, watchdog e outros(pereira da Silva,2000) Microcontrolador 8051 A partir da década de 80, a família MCS-51 da Intel obteve grande sucesso com microcontroladores de uso geral com capacidades de memória e I/Os(input/output, entrada/saída) diferenciados. A família MCS-51 pode incorporar memória de programa e dados internamente com a possibilidade de expansão de até 64 Kbytes de programa e mais 64 Kbytes de dados. Permite o acesso a portas internas de I/O, canal de comunicação serial UART full duplex, interrupções com estrutura nesting com 5 fontes mascaráveis e dois níveis de prioridade, timers/counters de 16 bits, oscilador interno e freqüência de clock típica de 12 MHz. 24

35 A família MCS -51 torna fácil a execução de complexas operações aritméticas e lógicas (multiplicação, divisão, permuta e deslocamento de bits, etc). Esta família trabalha com bancos de registradores nominais e também com bits endereçáveis na RAM (Pereira da Silva,2000). Outras vantagens do 8051: Popular: prontamente disponível e amplo suporte. Gama completa de produtos de suporte estão disponíveis comercialmente. Rápido e eficaz: a arquitetura se correlaciona de perto com o problema sendo solucionado (sistemas de controle). Instruções especializadas significam que menos bytes precisam ser buscados e menos jumps condicionais são processados. Baixo custo: alto nível de integração do sistema em um único componente. Poucos componentes são necessários para se criar um sistema que funcione. Ampla gama de produtos: uma única família de microcontroladores cobre as opções que outros fornecedores só conseguem cobrir com um número razoável de diferentes e incompatíveis famílias. Desse modo, o 8051 proporciona economia real em termos de custo de ferramentas, treinamento e suporte para software. Compatibilidade: opcodes e código binário são os mesmos para todas as variações do 8051, diferentemente de outras famílias de microcontroladores. Multi-Sourced: mais de 12 fabricantes e centenas de variedades. Aperfeiçoamentos constantes: melhorias na manufatura aumentam a velocidade e potência anualmente. Há ainda versões de 16 bits vindo de diversos fabricantes. 25

36 2.8 Porta serial Diante da necessidade de se comunicar equipamentos à grande distância, foi criada a transmissão serial. Atualmente, o meio mais utilizado para o transporte serial de informação é a linha telefônica, privada ou pública, que com a ajuda de aparelhos dedicados permite a ligação de dois ou mais computadores, por exemplo, em países diferentes, bastando para tal a disponibilidade da linha telefônica e seus sistemas próprios (centrais, antenas e até mesmo satélites). Na transmissão serial, o envio de um certo caractere (vários bits) é feito de tal forma que cada bit de cada caractere é transmitido de forma seqüencial, um após o outro. Para que vários sistemas troquem informações, foi criado um código binário para cada caractere, de tal forma que exista compatibilidade. Atualmente usa-se o código ASCII (American Standart Code for Interchange of Information). Neste código, cada caractere possui seu correspondente em binário, incluindo-se também vários caracteres de controle e sinais especiais(pereira da Silva,2000). A seguir são apresentadas as formas de comunicação serial Modo Síncrono de Comunicação Este modo de comunicação necessita de um sincronismo entre dois sistemas em comunicação. Este sincronismo é gerado por um conjunto de bits, denominado bits de sincronismo, que ao serem recebidos pelo elemento receptor, ajustam seu relógio interno para receberem um conjunto de bits referentes aos dados. Logo após o último bit de dado, o transmissor envia um conjunto de bits chamado bits de parada, que ao serem detectados pelo receptor informam que acabaram os bits de dados. Estes bits de parada podem conter ou não informações a respeito dos bits transmitidos, para permitirem ao receptor confirmar se recebeu os bits corretamente(axelson,1998). 26

37 2.8.2 Modo Assíncrono de Comunicação Neste modo não existe a necessidade de gerar sincronismo, cada caractere é transmitido individualmente, e para cada caractere (transmitido bit a bit) existem bits de início de transmissão (Start bit) e bits de fim de transmissão (Stop bit). O Start bit é reconhecido pela transição do nível presente na linha de 1 para 0. A partir desse instante, o clock interno do sistema efetua uma varredura da linha de tempos em tempos para detectar o nível na mesma, nível este que será associado a cada bit de forma conveniente. Ao reconhecer o sétimo bit, o sistema fica esperando o Stop bit, que é a transição de 0 para 1, ou a permanência em nível 1. Neste ponto, o sistema entra em repouso e fica na espera de um novo Start bit, para iniciar a recepção de um novo caractere. Neste modo de transmissão, deve-se garantir que o transmissor e o receptor operem com a mesma taxa de transmissão e recepção(axelson,1998) Canais Simplex, Half-Duplex e Full-Duplex Existem três maneiras de interligar dispositivos digitais: 1. o modo Simplex de interligação de dispositivos possui um elemento que apenas transmite e outro que apenas recebe. Exemplo: terminais de dados e impressoras; 2. outro modo é o Half-Duplex, ou Semiduplex, que permite elementos que recebem e transmitem dados, embora as duas operações não possam ocorrer simultaneamente; 3. e o último modo é o Full-Duplex, onde os sistemas podem transmitir e receber dados simultaneamente(axelson,1998). 27

38 2.8.4 Interface serial no 8051 No 8051, a interface serial é do tipo Full-Duplex, isto significa que o microcontrolador pode receber e transmitir dados simultaneamente, sendo que existem registros especiais para este fim. O registro para a serial chama-se SBUF (Serial Buffer) e uma escrita no mesmo implica em automática transmissão do dado escrito, assim como um dado que chegue no pino de recepção, implicará na automática operação de recepção por parte do sistema, independentemente do controle do usuário (desde que o canal serial esteja habilitado e corretamente ajustado)(pereira da Silva,2000). Existem na realidade, dois registros com o mesmo nome SBUF, sendo um para recepção e outro para transmissão. O reconhecimento é feito pelo sistema através das instruções que acessarão o mesmo Comunicação RS-232 para o 8051 A comunicação RS-232 nasceu da necessidade de se criar um padrão para a comunicação serial, através da definição de níveis de tensão e de impedância para a transmissão de dados, permitindo que equipamentos incompatíveis entre si possam ser interligados(pereira da Silva,1998). Os níveis de tensão o padrão RS-232C (o mais difundido atualmente) vão de -15 até + 15 Volts, divididos da seguinte forma: Nível lógico 0 +5 a + 15 Volts Nível lógico 1-5 a -15 Volts Tabela 2 Níveis de tensão para o padrão RS-232C Fonte: Adaptada de (Axelson, 1998), pág 55 A região entre -5 e + 5 Volts é conhecida como região de transição, e não é reconhecida pelo sistema. 28

39 Para que a comunicação possa ser efetuada entre os módulos e o microcontrolador é necessário à transformação do padrão TTL (natural ao microcontrolador) para o padrão RS-232 (padrão dos módulos) Comunicação serial entre os módulos A comunicação entre o módulo coletor de dados e o GPS é feita serialmente em modo Simplex (somente o GPS envia dados q são recebidos pelo microcontrolador), 8 bits de dados, sem paridade, com 1 bit de parada e com velocidade de transmissão de bps. A transmissão entre o módulo coletor e o módulo de transmissão é efetuada a bps, com 8 bits de dados, sem paridade, com 1 bit de parada e com controle de fluxo por hardware. O microcontrolador usado no projeto possui apenas uma porta serial, desta forma é necessária a comutação entre os dois dispositivos (GPS e celular) conectados na porta serial, para isso foi utilizado um multiplexador (CD4051BE). Na figura 6 observase o esquema de comutação entre os dispositivos. microcontrolador TX RX RX TX Celular GND GND P3.2 MUX TX GND GPS Figura 6 - Comutação entre dispositivos 2.9 Transmissão A seguir serão apresentadas as várias formas de transmissão avaliadas para a implantação no sistema. 29

40 2.9.1 Rádio freqüência Os sistemas de comunicação via rádio utilizam ondas eletromagnéticas como elemento de ligação entre transmissor e receptor. Como essas ondas possuem a propriedade de irradiarem-se pelo espaço, dispensando a existência de quaisquer meios físicos para sua transmissão, a implantação de sistemas de comunicação via rádio é muito facilitada. Quando comparada aos sistemas via cabo, os sistemas de comunicação via rádio apresentam as seguintes características: utilizam equipamentos eletrônicos relativamente complexos para o processamento dos sinais necessários à operação do sistema, a confiabilidade é menor e depende das condições de propagação da onda eletromagnética. Em compensação, os custos de implantação são menores para distâncias superiores a algumas dezenas de quilômetros, apresentando ótima flexibilidade para ampliações. Essas características tornam os sistemas via rádio adequados tanto para comunicação à longa distância quanto para comunicação móvel. Um sistema de comunicação via rádio é composto por, pelo menos, duas estações de rádio, sendo uma transmissora e outra receptora. Cada estação é composta por um equipamento de rádio, uma linha de transmissão e uma antena. A função dos equipamentos de rádio é, no caso do transmissor, gerar sinais de radiofreqüência e, no caso do receptor, recebê-los; da linha de transmissão é conduzir o sinal de radiofreqüência do transmissor até a antena, ou da antena até o receptor. Finalmente, a função da antena é gerar ou captar ondas eletromagnéticas (Nascimento, 2000) Transmissão via satélite O termo satélite empregado atualmente vem do latim satelles ou satellitis, que significa corpo que gravita em torno de um astro de massa preponderante (dominante), em particular ao redor de um planeta. Disto vem a necessidade de diferenciação entre satélites naturais (corpos celestes) e artificiais que são os engenhos construídos pelo homem. Pode-se dividir os satélites artificiais em duas categorias, satélites de finalidade e satélites de órbita: 30

41 Finalidade Dentro dessa categoria, existem os satélites militares, os científicos, navegação e os de comunicações: Militares - Segundo consta, cerca de 75% dos satélites lançados a partir de 1957, tem finalidades militares. Desenvolvidos com os objetivos de telecomunicação, observação, alerta avançado, ajuda à navegação e reconhecimento, os satélites militares, em função do objetivo a que foram concebidos, giram em diferentes altitudes e, por conseqüência órbita. Científicos - Os satélites científicos englobam os meteorológicos, os de exploração do universo e os de coletas de dados da Terra. Os meteorológicos visam a óbvia tarefa de identificação do clima, possibilitando a prevenção de mortes por desastres naturais como furacões ou chuvas de granizo. Já os de exploração do universo, tem seu alvo voltado justamente para a exploração do espaço a fim de obter mais conhecimento da Terra, do sistema solar e do universo como um todo. E, o último dos satélites científicos, o de coleta de dados, que visa elaboração de informações sobre fenômenos físicos, químicos, biológicos da superfície da Terra e da atmosfera, através de uma gama infinita de sensores existentes Comunicação - Por fim, os satélites de comunicação que são utilizados na transmissão mundial de informações digitais, especificamente para o mundo civil. Os satélites de comunicação podem ter acessos múltiplos, isto é, servir simultaneamente a diversas estações terrestres de localidades ou mesmo de países diferentes. Um satélite de comunicações atua como uma estação repetidora da órbita da Terra. Devido à sua enorme altitude, o satélite de comunicações consegue estabelecer contato entre pontos localizados a milhares de quilômetros de distância sobre a superfície terrestre. Para se comunicar com o satélite são necessárias pelo menos duas estações terrenas, que atuam como estações terminais de rádio (Nascimento, 2000). 31

42 Órbita Existem três tipos de órbitas que um satélite pode cursar. A primeira e mais comum delas é a geoestacionária, que é utilizada para fins de comunicação. Posicionados a uma altitude entre km e km, os satélites gastam 23h e 56 min para dar uma vota em torno da Terra que, é o mesmo período de rotação de nosso planeta. Neste caso a órbita é denominada geo-síncrona apenas. Se o plano da órbita se confundir com o equador, o satélite parecerá estático a um observador terrestre, devido ao fato dos dois terem a mesma velocidade angular e eixo de rotação. Para este caso é atribuído um nome especial, órbita geoestacionária. Devido a este fato, é disputada a altitude referida sob a linha do equador, já que a fim de não haver interferência entre satélites os mesmos devem estar afastados de 2 graus no mínimo. Assim, limita-se em 180 o número de satélites nesta órbita que já possui satélites de várias finalidades como transmissão de televisão, governamental e militar Transmissão via telefonia celular No Brasil, a telefonia celular tornou-se popular a partir dos anos 90, (com o aparecimento do AMPS) seguido pelos sistemas celulares digitais TDMA, CDMA e a poucos anos a tecnologia GSM. A finalidade de um sistema de telefonia celular é permitir a comunicação entre dois telefones móveis ou entre telefones móveis e fixos. Para isso, é utilizado um sistema composto pela rede de telefonia pública comutada (RTPC), que atende os telefones fixos, e por uma rede de telefonia móvel, composta pela CCC (Central de Controle Celular) e algumas ERBs (Estações Radiobase), além dos TCs (telefones Celulares). A CCC comunica-se com ERBs por meio de circuitos de voz e dados. A comunicação de telefone celular para telefone celular, desde que na mesma localidade, não passa pela rede telefônica pública comutada. O percurso será via rádio entre o TC1 e a ERB1, via tronco entre a ERB1 e a CCC e entre a CCC e a ERB2. A ERB2 comunica-se via rádio com TC2. A estrutura do sistema celular oferece várias vantagens. A presença de uma rede de ERBs espalhadas pela cidade proporciona uma menor distância média entre 32

43 elas e os telefones celulares. Por esse motivo, a potência necessária para a transmissão é menor, permitindo que as freqüências empregadas na transmissão possam ser reutilizadas por ERBs afastadas, aumentado o número de usuários atendidos pelo sistema. A baixa potência de transmissão permite o emprego de telefones celulares de peso e tamanho reduzidos, além de aumentar a duração da carga da bateria (Nascimento, 2000) Especificação do Hardware Neste projeto a função do hardware do sistema é coletar os dados das amostras com uma interface amigável e transmiti-las para a central de geoprocessamento; onde o hardware deverá fazer a recepção e o tratamento desses dados para que eles possam ser acessados pelo microcomputador. O microcontrolador 8051 é o componente principal do hardware por ser de fácil utilização, reprogramação e por ter disponível portas de entrada e saída para a comunicação com o módulo de transmissão. Um teclado numérico e um display LCD também serão acoplados ao microcontrolador. A figura 7 ilustra o diagrama em blocos do hardware. Pode-se observar o microcontrolador 8051 gerenciando os dados providos do GPS e do teclado numérico, mostrando os dados no display LCD e fazendo a comunicação com o módulo transmissor Análise dos meios de transmissão Foram analisadas três alternativas diferentes para a comunicação de dados, são elas: transmissão por rádio freqüência, transmissão via satélite e transmissão via celular. 33

44 Foi feita uma análise a respeito de cada uma das tecnologias, avaliando-se questões como distância de alcance, capacidade de transmissão, viabilidade econômica etc. A transmissão dos dados por rádio freqüência foi descartada devido ao seu alcance, (máximo 500m para circuitos de baixa potência). Este alcance máximo limitaria o projeto, pois a transmissão precisa cobrir toda uma área urbana. Foi levantada a hipótese de se criar repetidoras em vários pontos, mas isso elevaria o custo e a complexidade do projeto. Poderia-se também usar um módulo de rádio GPS Display LCD Dados Para visualização Microcontrolador 8051 Coordenadas Dados sobre acidentes Teclado numérico Módulo transmissor Meio de transmissão celular Módulo receptor PC Figura 8 Diagrama em blocos freqüência com alta potência, mas desta forma o sistema coletor perderia a função proposital inicial do projeto, que é a de ser um sistema leve e portátil. 34

45 Para a transmissão via satélite foi analisado o serviço de rede de satélites de baixa órbita Orbcomm, que é formado por uma constelação de 42 satélites que estão a cerca de 830Km de altitude, por isso é denominado de baixa órbita. O custo do serviço Orbcomm inclui uma mensalidade mínima de R$ 65,00 (sessenta e cinco reais), valor este dependente do volume de dados transmitido. A utilização deste serviço ainda implica na aquisição dos módulos receptor e transmissor com custo de R$ 750,00(setecentos e cinqüenta reais) para o conjunto. A este valor pode ser acrescido o preço de uma antena que pode vir a ser necessária. A transmissão por satélite de baixa órbita é o meio de transmissão que mais atendeu aos requisitos do sistema, funcional em toda área (no caso em uma cidade inteira) e acoplamento ao módulo coletor e ao módulo de conversão do formato de dados extremamente simples. Porém, devido ao seu alto custo operacional esta abordagem foi inviabilizada. De forma a utilizar uma rede de comunicação de dados já inteiramente pronta, e a sua confiabilidade perante o sistema de rádio transmissão e ao seu custo médio total, a tecnologia adotada para o projeto é a de telefonia celular. Utilizando a telefonia celular foram avaliadas duas formas diferentes de transmissão, são elas: Mensagens custas de texto (SMS) e Transmissão celular utilizando modem. A transmissão por mensagens de texto foi descartada devido a alguns fatores como: não garantia do recebimento da mensagem; não há confirmação do recebimento da mensagem; e o tempo indeterminado para chegar ao destino, podendo chegar instantâneamente ou demorar algumas horas. A transmissão por SMS também necessita de dois telefones celulares (um para o módulo coletor e outro para a central de geoprocessamento) acarretando desta forma um custo maior ao projeto. O meio escolhido foi a transmissão por modem celular, desta forma a recepção é feita por um computador conectado a uma linha telefônica comum. Com esta forma de transmissão existe a garantia de que os dados são recebidos em tempo real, caso haja um erro na transmissão o operador imediatamente fica ciente e deve tentar novamente o envio dos dados. 35

46 Esta forma de comunicação foi o meio mais econômico encontrado, já que é necessário apenas um telefone celular, e um modem conectado a uma linha telefônica. O custo da transmissão é de uma ligação celular-telefone fixo com tempo de 30s, variando entre R$ 0,25 e R$ 0,60, conforme o horário da comunicação. Este valor viabiliza o pequeno volume de dados que será transmitido. Para um sistema comercial de grande escala e grande volume de dados transmitido este valor se tornaria inviável Lista de componentes A seguir é apresentada a lista de componentes utilizados: baterias de 9V; cabos; capacitores; circuito integrado CD4051, 74373; conectores DB -9 macho e fêmea; display LCD; fonte de alimentação; microcontrolador 8031; EPROM GPS; celular; diodos; cristal; resistores e regulador de tensão. 36

47 Diagrama do hardware O hardware pode ser dividido em duas partes: coleta dos dados e transmissão dos dados. Na coleta dos dados está a parte de interface com o usuário e comunicação com o módulo de GPS. A comunicação entre o microcontrolador e o módulo GPS é feita pela porta serial. A figura 8 ilustra esse módulo: Teclado numérico dos dados Microcontrolador 8051 usuário GPS display Figura 8 Diagrama do hardware coletor de dados No módulo de transmissão dos dados, estão presentes os módulos de transmissão celular para envio e recepção e a conexão com o computador. A comunicação entre o microprocessador e o módulo de transmissão também é feita serialmente, como pode-se observar na figura 9: Módulo de transmissão celular Módulo de recepção celular microcontrolador Figura 9 Diagrama do módulo transmissor 37

48 O microcontrolador faz o controle e sincronização dos dados, na verdade ele é responsável por receber os dados digitados no teclado, mostrar a atual situação no display, receber as coordenadas do módulo GPS e enviar todos estes dados formatados para o módulo de transmissão celular. Na figura 10 observa-se o fluxograma do programa do microcontrolador: 38

49 início Ler do teclado Mostrar no display N Verificar o dado S Ler do teclado Mostrar no display N Verificar o dado S Comunicação com módulo GPS Comunicação com módulo de transmissão celular FIM Figura 10 Fluxograma do programa do microcontrolador 39

50 Esquemático do circuito Na figura 11 apresenta-se o esquemático do circuito baseado no microcontrolador 80C31 utilizado no hardware: Figura 11 - Esquemático do circuito utilizado no hardware 2.11 Especificação do software O ambiente de desenvolvimento do software para recepção e conversão dos dados para a estação de geoprocessamento é utilizado o compilador Borland Builder C++ 5.0, e a linguagem de programação é o C++. Para o geoprocessamento foi adquirida ou uma base geográfica compatível com o formato do software ARCVIEW 8.1, utilizando as suas facilidades nativas de banco de dados e de interface com o usuário. 40

51 A função do software de geoprocessamento é a de mostrar ao usuário todos os pontos do mapa onde ocorreram acidentes de trânsito, com informações do número de vítimas e feridos, bem como analisar onde ocorrem o maior número de acidentes com vítimas fatais, feridos e etc. Na figura 12 é apresentado o diagrama de contexto do sistema. Este diagrama mostra o relacionamento entre as entidades externas e o sistema de software. Figura 12 Diagrama de contexto do software Software de recepção e conversão dos dados Este software foi desenvolvido em C++, possui a função de controlar o modem, receber os dados e inseri-los no banco de dados. Este software deve estar sempre em execução para que os dados possam ser recepcionados. Esta parte do projeto é responsável por alterar os dados para o formato do sistema suportado pelo ARCVIEW 8.1 e também transformar as coordenadas para o sistema métrico. 41

52 SGBD (sistema gerenciador de banco de dados) A tecnologia aplicada aos métodos de armazenamento de informações vem crescendo e gerando um impacto cada vez maior no uso de computadores, em qualquer área em que os mesmos podem ser aplicados. Um banco de dados pode ser definido como um conjunto de dados devidamente relacionados. Por dados pode-se compreender como fatos conhecidos que podem ser armazenados e que possuem um significado implícito. Um banco de dados possui as seguintes propriedades: um banco de dados é uma coleção lógica coerente de dados com um significado inerente; uma disposição desordenada dos dados não pode ser referenciada como um banco de dados; um banco de dados é projetado, construído e populado com dados para um propósito específico; um banco de dados possui um conjunto pré definido de usuários e aplicações. Um banco de dados pode ser criado e mantido por um conjunto de aplicações desenvolvidas especialmente para esta tarefa ou por um Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGBD). Um SGBD permite aos usuários criarem e manipularem bancos de dados de propósito geral. O conjunto formado por um banco de dados mais as aplicações que manipulam o mesmo é chamado de Sistema de Banco de Dados. Neste projeto foi utilizado o PARADOX como SGBD. O banco de dados têm a função de interligar o software de aquisição dos dados e o aplicativo de geoprocessamento. Os dados são inseridos no banco de dados pelo software de aquisição e lidos pelo ARCVIEW. Todas as alterações no banco efetuada pelo software de aquisição são refletidas na visualização do usuário no aplicativo de geoprocessamento. Abaixo está a tabela usada no projeto, X e Y representam as coordenadas do acidente (latitude e longitude), fatais o número de vítimas fatais e feridos o número de feridos no acidente e os dois últimos campos são data e hora do acidente. 42

53 X Y feridos fatais data hora /02/ :04: /02/ :56: /10/ :34:08 Tabela 3 -Exemplo da tabela utilizada no banco de dados 2.12 Especificação da validação do projeto Os módulos de Hardware, por ter seu processamento controlado pelo microcontrolador 8051, envolvem conceitos de microprocessadores, sistemas digitais e instrumentação eletrônica no módulo controlador e no módulo de transmissão. Os módulos de software envolvem conceitos de programação em linguagem C++, e a utilização do ARCVIEW envolve conceitos de geoprocessamento e conhecimentos em banco de dados. Os testes e simulações serão feitos separadamente para cada módulo do projeto, para, finalmente, haver um acoplamento entre todos os módulos. Uma atenção especial será dada ao módulo de transmissão, por ser um módulo crítico do projeto Custos A seguir é apresentado a tabela de estimativa de custos do projeto, estão relatados os recursos necessários para o desenvolvimento do projeto e os seus respectivos preços em reais. 43

54 Descrição Custo em reais (R$) Microsoft Windows XP profesional 1.247,00 Microsoft Office 2003 acadêmico 539,00 Borland C++ Builder 6 profesional 2.490,00 ESRI Arcview gis ,00 Telefone celular 120,00 GPS 400,00 Componentes 200,00 Cabos e conectores 20,00 Gastos com transmissões 150,00 Gravador de memória 400,00 Horas despendidas (1000h) 4.000,00 Total ,00 Tabela 4 Custos 2.14 Cronograma A seguir é apresentado o cronograma do projeto com inicio no mês de março e término no mês de dezembro. 44

55 45

56 2.15 Descrição do software O software do sistema é dividido em dois módulos: módulo de aquisição dos dados pela porta serial e o módulo de tratamento dos dados ( módulo para gerar informações). O módulo de aquisição dos dados pela porta serial foi desenvolvido em linguagem C++ com o compilador Borland C++ Builder. Este módulo faz a comunicação com o modem, recebe os dados e os formata no padrão de dados do software ArcView. No módulo de tratamento dos dados está a visualização gráfica e os cálculos estatísticos. Neste módulo será utilizado o software ArcView. Este software utiliza uma linguagem de programação nativa (interna) que será utilizada para o desenvolvimento de mapas, cálculos estatísticos e gerenciamento dos dados Casos de uso Inserir dados sobre acidentes de trânsito Coletor de dados Consultar o sistema Usuário 46

57 Alterar base-geográfica Administrador Inserir basegeográfica Roteiro dos casos de uso: -Nome: Inserir dados sobre acidentes de trânsitos; -Caminho básico: O coletor de dados fornece ao sistema os dados sobre acidentes de trânsito e estes são enviados para a central de geoprocessamento; -Caminho de exceção: Os dados são fornecidos ao sistema incorretamente ou ocorreu erro na transmissão. -Nome: Consultar o sistema; -Caminho básico: O usuário consulta as informações geradas e visualiza graficamente as informações; -Caminho de exceção: O sistema não possui os dados para gerar as informações; -Nome: Alterar base-geográfica; -Caminho básico: O administrador altera a base-geográfica do sistema; -Nome: Inserir base-geográfica; -Caminho básico: O administrador insere uma nova base-geográfica no sistema; 47

58 Diagrama de caso de uso Insere basegeográfica administrador Altera basegeográfica Consulta o sistema usuário Insere novos dados Coletor de dados 48

59 Diagrama de classes (do software de aquisição) Ccontrole 1 0..* Cmodem * Cserial - int porta; - float x; - float y; - int fatais; - int feridos; 1 -Char leitura; Cmodem(); ~Cmodem(); +void recepciona(); - char buffer; + void outport (dado); + int inport(); Ccontrole(); ~Ccontrole(); +Void ativa(int porta); +Void transforma(); CBroker 0..* -Tquery *query Cbroker() ~Cbroker(); void dematerialize(x,y,fat,ferid); Diagrama de seqüência projeto. Nos próximos itens são mostrados os diagramas de seqüência do software do Inserir dados sobre acidentes de trânsito O diagrama mostra as etapas da entrada de um novo dado no sistema até a sua inserção no banco de dados. 49

60 Novo dado Cserial Cmodem Ccontrole CBroker 1. int inport(); 2. recepciona(); 3.void recepciona(); 4.void desmaterialize (x,y,fat,ferid); Consultar o sistema O diagrama mostra a consulta do usuário ao sistema. Usuário Sistem Geo 1. Consultar () Inserir base-geográfica O diagrama mostra o administrador do sistema inserindo uma nova basegeográfica no sistema. Administrador Sistem Geo 1. Inserir () 50

61 Alterar Base-geográfica sistema. O diagrama mostra o administrador do sistema alterando a base-geográfica do Administrador Sistem geo 1. Alterar () 51

62 3 RESULTADOS Para a validação do projeto foram realizados vários testes, procurando-se coletar o maior número de pontos possíveis. A localização de pontos coletados no mesmo local varia um pouco devido a precisão do GPS utilizado, o GPS possui precisão de 10 metros. Na figura 13 observa-se a tela principal do sistema de geoprocessamento, mostrando a saída do sistema, onde pode-se observar o mapa da cidade de Curitiba, com as linhas verdes representando as ruas e avenidas e os pontos registram cada acidente de trânsito individualmente. Figura 13 - Tela principal do sistema Na figura 14 observa-se a mesma tela de saída, mas com um zoom aplicado na área central da cidade de Curitiba. 52

63 Figura 14 - Tela principal com aproximação sobre os pontos Na figura 15 é mostrada a caixa pesquisar, esta caixa permite ao usuário efetuar pesquisa sobre os pontos. Figura 15- Caixa de pesquisa 53

64 Na figura 16 observa-se o momento após a pesquisa ser realizado, onde são selecionados os pontos que atendem aos requisitos da pesquisa. Figura 16- Pesquisa realizada A figura 17 mostra a caixa de informações sobre um ponto, esta caixa é aberta quando é utilizada a ferramenta info e é clicado sobre um ponto que representa um acidente. 54

65 Figura 17- Informações sobre um ponto A figura 18 mostra a diferença de localização entre dois pontos coletados no mesmo local, está diferença é devido a imprecisão do GPS utilizado no projeto. Figura 18- Diferença entre dois pontos com mesma localização 55