UNIVERSIDADE POSITIVO - UP NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS - NCET CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO

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1 UNIVERSIDADE POSITIVO - UP NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS - NCET CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO JOSÉ CLAUDIO VIANNA JUNIOR LUCAS AMADEU GRZYBOWSKI VENTURA AUTOMAÇÃO DO PROCESSO DE PULVERIZAÇÃO DE DEFENSIVOS E MAPEAMENTO DE PLANTIO DA PRODUÇÃO Curitiba, novembro de 2011

2 UNIVERSIDADE POSITIVO - UP NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS - NCET CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO JOSÉ CLAUDIO VIANNA JUNIOR LUCAS AMADEU GRZYBOWSKI VENTURA AUTOMAÇÃO DO PROCESSO DE PULVERIZAÇÃO DE DEFENSIVOS E MAPEAMENTO DE PLANTIO DA PRODUÇÃO Trabalho de Conclusão de Curso Orientador: Prof. Alessandro Brawerman CURITIBA 2011 ii

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4 UNIVERSIDADE POSITIVO Reitor: José Pio Martins Vice-Reitor: Arno Antonio Gnoatto Pró-Reitor de Graduação: Prof a. Márcia Sebastiani Coordenador do Curso de Engenharia da Computação: Prof. Leandro H. Souza TERMO DE APROVAÇÃO iv

5 José Claudio Vianna Junior Lucas Amadeu Grzybowski Ventura AUTOMAÇÃO DO PROCESSO DE PULVERIZAÇÃO DE DEFENSIVOS E MAPEAMENTO DE PLANTIO DA PRODUÇÃO Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação da Universidade Positivo, pela seguinte banca examinadora: Professor Orientador: Alessandro Brawerman Professor convidado: Amarildo Geraldo Reichel Professor convidado: Alexandre Denes Dos Santos CURITIBA 2011 v

6 UNIVERSIDADE POSITIVO Reitor: Prof. Prof. José Pio Martins Vice-Reitor: Pró-Reitora de Graduação: Prof a. Sebastiani Diretor Acadêmico: Prof. Marcos José Tozzi Coordenador do Curso de Engenharia da Computação: Prof. Leandro Henrique de Souza vi

7 DEDICATÓRIA A Deus, que nos concedeu a sua Graça nessa caminhada e permitiu que chegássemos até aqui. Aos nossos pais, que compartilharam nossos sonhos e desalentos, vitórias e derrotas, alegrias e tristezas. Aos familiares, amores e amigos, que torceram por nós, e estiveram conosco em todos os momentos para que nossos ideais fossem alcançados. vii

8 AGRADECIMENTOS Aos professores, mestres e doutores que nos transmitiram valorosos conhecimentos durante nosso processo de formação profissional. Ao Prof. Alessandro Brawerman, que nos atendeu e nos orientou com generosidade e competência diante das dificuldades. Este trabalho de conclusão de curso não teria sido desenvolvido sem a participação de muitos amigos, aos quais agradecemos muito por terem nos ajudado a tornar o nosso sonho de formação, em realidade. viii

9 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 - CONEXÃO DO ROTEADOR COM DISPOSITIVOS NA MESMA REDE FIGURA 2 - MODO DE CAPTURA DE COORDENADAS GPS FIGURA 3 - FUNCIONAMENTO DE UM SENSOR ULTRASSÔNICO FIGURA 4 - ESTRUTURA BÁSICA CLIENTE E SERVIDOR FIGURA 5 - DIAGRAMA DE BLOCOS GERAL DO SISTEMA FIGURA 6 - MAPA TOTAL DA ÁREA E SEUS DADOS FIGURA 7 - TECNOLOGIAS USADAS NA COLHEITA FIGURA 8 - MODULO ULTRASSÔNICO HC-SR FIGURA 9 - PLATAFORMA ARDUINO FIGURA 10 - LIGAÇÃO DO MÓDULO ULTRASSÔNICO AO ARDUINO FIGURA 11 - BLUETOOTH MATE GOLD FIGURA 12 - DIAGRAMA DE CASO DE USO DA TELA INICIAL DO SOFTWARE DESKTOP FIGURA 13 -DIAGRAMA DE CASO DE USO DO CADASTRO DE LAVOURA FIGURA 14 - ESBOÇO DA TELA DE CADASTRO E OPÇÕES DA LAVOURA FIGURA 15 - DIAGRAMA DE CASO DE USO DA SELEÇÃO DE AÇÕES FIGURA 16 - DIAGRAMA DE CASO DE USO DA SINCRONIZAÇÃO FIGURA 17 - ESBOÇO DA TELA DE DETALHES DO MENU PRINCIPAL DA LAVOURA FIGURA 18 - DIAGRAMA DE CLASSES DO APSYS-DESKTOP FIGURA 19 - DIAGRAMA DE CASO DE USO DA SINCRONIZAÇÃO FIGURA 20 - DIAGRAMA DE SEQUÊNCIA DA SINCRONIZAÇÃO FIGURA 21 - DIAGRAMA DE CASO DE USO DA TELA DE CONFIGURAÇÃO FIGURA 22 - ESBOÇO DA TELA DE DELIMITAÇÃO DE TERRENO FIGURA 23 DIAGRAMA DE CASO DE USO DA DELIMITAÇÃO DE COLHEITA FIGURA 24 DIAGRAMA DE CASOS DE USO DO MONITORAMENTO DE COLHEITA FIGURA 25 ESBOÇO DA TELA DE MONITORAMENTO DE COLHEITA FIGURA 26 DIAGRAMA DE CLASSES DO APSYS-MOBILE FIGURA 27 DIAGRAMA DE SEQUÊNCIA DOS SISTEMAS APSYS FIGURA 28 FLUXOGRAMA DE CONEXÃO BLUETOOTH FIGURA 29 TELA DE DETALHES DA LAVOURA FIGURA 30 TELA DO MAPA DE PRODUÇÃO ix

10 LISTA DE TABELAS TABELA 1 - CARACTERÍSTICAS DE CLASSE DO BLUETOOTH TABELA 2- CUSTOS DO PROJETO... ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. x

11 LISTA DE SIGLAS 3G ADT AP APSYS bps cm dbm GHz GPS hrs IDE IP IrDA kb; kbytes LCD m m/s ma MAC 3ª Geração Android Development Tools Agricultura de Precisão Sistema de Agricultura de Precisão bits per second Centímetro Decibel Mili-Watt Giga Hertz Global Position System Horas Integrated Development Environment Internet Protocol Infrared Data Association Quilo Bytes Liquid Crystal Display Metro Metros por segundo Mili Ampères Media Access Control xi

12 mah Mbytes MER mw PANs PIN PWM SD SDK SGBD SIG SQL SSID UIT UML us USB V VRT Wi-Fi WLAN WPA WPF XAML Mili Ampéres Hora Mega Bytes Modelo Entidade Relacionamento Mili-Watts Personal Area Networks Personal Identification Number Pulse Width Modulation Secure Digital Software Development Kit Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados Sistema de Informação Geográfica Structured Query Language Service Set Identifier União Internacional de Telecomunicações Unified Modeling Language Micro Segundos Universial Serial Buss Volts Variable-Rate Technology Wireless Fidelity Wireless Local Area Network Wi-Fi Protected Access Windows Presentation Fundation Extended Aplication Markup Language xii

13 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... ix LISTA DE TABELAS... x LISTA DE SIGLAS... xi RESUMO... xiv ABSTRACT... xvi 1 INTRODUÇÃO Objetivos FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Android Bluetooth Comunicação de Dados Posicionamento Geográfico GPS Arduino Plataforma de Desenvolvimento Desktop Banco de Dados Socket Produtos Comerciais Similares ao Projeto Diferenças do projeto com os produtos existentes Especificação do Projeto VISÃO GERAL Requisitos Componentes Hardware Software Desktop Mobile Protocolo de comunicação RESULTADOS Validação Testes Funções de aquisição de coordenadas Autonomia do sistema Transferência de dados Processamento do Mapa de produção Capacidade de medição de nível da caixa de colheita xiii

14 4.2.6 Distância de recepção do módulo Bluetooth CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS RESUMO Com o desenvolvimento tecnológico da agricultura o produtor rural vem buscando diversas formas de simplicidade, conforto, aumento da produtividade, redução de insumos e controle do terreno. Para que o agricultor tenha um gerenciamento localizado e detalhado das culturas, é necessário um sistema que tenha soluções para o mapeamento do terreno, redução de custos, gerenciamento da produção e rendimento operacional. O mapeamento do terreno pode ser xiv

15 feito por um GPS acoplado ao trator no momento do plantio. A redução de custos envolve o controle da rota e mapeamento dos locais em que há necessidade ou não da aplicação de insumos, evitando desperdícios. Com o gerenciamento da produção é possível controlar os gastos com insumos e ter detalhadamente o controle da produção em cada área da lavoura. O rendimento operacional consiste na diminuição dos custos, evitando assim sobreposições, eliminando falhas e aumentando a velocidade do trabalho. O sistema desenvolvido tem como alvo a agricultura de precisão, utilizando as técnicas citadas acima para beneficiar os agricultores fornecendo-lhes um controle mais minucioso de seu terreno com coleta e entendimento de dados. A técnica manual de marcação de rastros utilizada em subsequentes aplicações de defensivos com trator pode ser substituída pela marcação de rota pelo sistema desenvolvido. Além de uma maior exatidão, esta nova marcação evita gastos desnecessários com combustível e desperdícios de defensivos. Com o controle de produção em pontos do terreno, a análise estatística pode contribuir para que, nas próximas produções, seja possível monitorar as áreas que tiveram menor rendimento e/ou menor qualidade na semente. Palavras Chaves: Mapeamento, Gerenciamento da Produção, Agricultura de Precisão. xv

16 ABSTRACT With the technological development of agriculture, the farmer is seeking various forms of simplicity, comfort, increased productivity, reduced inputs and ground control. For the farmer to have a localized and detailed management of crops, it is necessary a system that has solutions for mapping the terrain, cost reduction, production management and operational efficiency. The mapping of the terrain can be done by a GPS attached to the tractor at the seeding moment. The cost reduction involves the route control and mapping of places where are needed or not the application of inputs, avoiding wastes. With the production management is possible to check the costs with inputs and have detailed production in each piece of the land. Operating productivity consists of reducing costs, avoiding overlaps, eliminating failures and increasing speed of work. The developed system is intended for precision agriculture, using the techniques mentioned above to benefit farmers by using specific information provided by collected data. One of the manual techniques of applying pesticide that is the marking of tracks with the tractor to a subsequent application, may be replaced by route tagging, which will give more accuracy, avoiding unnecessary spending of fuel and wasting of defensives. With the production control of points in the field, the analysis can contribute so that in the future productions it will be possible to monitor the areas with lower production and / or lower seed quality. Keywords: Mapping, Production Management, Precision Agriculture. xvi

17 13 1 INTRODUÇÃO Antes mesmo da revolução industrial e do processo de mecanização da atividade agrícola, os agricultores já se mostravam capazes de reconhecer a variabilidade espacial de certas características físicas e químicas das áreas cultivadas. A própria divisão dessas áreas em talhões reflete essa capacidade de discernimento. Até então, o uso do trabalho braçal permitia aos agricultores tratar áreas com menor ou maior fertilidade ou com infestação de pragas, doenças e plantas daninhas de forma diferenciada (FRAISSE, 1998). Os primeiros fundamentos teóricos da chamada Agricultura de Precisão (AP) surgiram no final da década de 20, e foram descritos por Linsley e Bauer (1929). O reconhecimento dela ocorreu somente na década de 80, quando microcomputadores, sensores e sistemas de rastreamento terrestres ou via satélite foram disponibilizados, possibilitando a difusão de suas técnicas (BALASTREIRE, 1998). Foram criadas várias ferramentas com o intuito de auxiliar no cutivo de áreas agrícolas, como sistema de informação geográfica (SIG), sensoriamento remoto, tecnologias de aplicação em taxa variada (VRT), sensores, monitores de colheita, entre outras. Nos primeiros dez anos, as pesquisas na área da agricultura concentravamse apenas no desenvolvimento de sensores. Entretanto houve um grande aumento com a disponibilização do sistema de posicionamento global (GPS) na década de 90, através de um conjunto de satélites americanos. Atualmente é possível identificar nos terrenos uma agricultura diversificada, em que a alocação das culturas é feita de acordo com as características de cada talhão possibilitando ao produtor o conhecimento detalhado dessas regiões. A agricultura de precisão é um conjunto de técnicas que permite o gerenciamento localizado de culturas, automatizando processos de pulverização, adubação, mapeamento de plantio e colheita. Baseada em coordenadas GPS e sensores integrados com mecanismos de ativação, possibilita o gerenciamento detalhado da produção agrícola e dos fatores envolvidos nesta produção. Essas tecnologias alavancaram o crescimento da AP, possibilitando o manejamento agrícola de acordo com a variabilidade espacial e temporal dos fatores relacionados com a planta, solo e clima, diferentemente do que era realizado até então, quando a área era considerada uniforme e, portanto, tratada desta maneira. Tais técnicas facilitaram o aumento do rendimento operacional, a redução de custos, a diminuição de

18 14 contaminação da natureza pelos defensivos utilizados e um aumento da produtividade (GEOAP, 2009). A popularização dos fundamentos da agricultura de precisão têm feito com que se tenha um presente e futuro promissores para as práticas associadas a essa tecnologia. Com o crescimento do mercado e a grande concorrência, a necessidade de um controle mais minucioso da lavoura com acompanhamentos detalhados de cada cultivo, colheita após colheita, se tornou imprescindível para os agricultores. A tecnologia envolvida nesse processo consta nos receptores de posicionamento (GPS), softwares específicos para visualização do mapa da produção, dispositivos móveis (Smartphones, Tablets) para controle dos dados e mecanismos para captação de dados da produção no momento da colheita. Com a lavoura sendo tratada de uma forma generalizada, sem detalhes específicos de cada pedaço, o agricultor pode ter gastos desnecessários que podem trazer a ele altos custos na produção, diminuindo seu lucro. Com o controle da lavoura, horas de trabalho podem ser economizadas, sobreposições podem ser evitadas e aplicações de defensivos em quantidades corretas podem ser realizadas. Desta maneira pode-se auxiliar na tomada de decisões evitando assim possíveis problemas que possam aparecer. 1.1 OBJETIVOS O produtor rural vem buscando diversas formas de simplicidade, conforto, aumento da produtividade, redução de insumos e principalmente o controle mais específico da lavoura. Para que o agricultor tenha um gerenciamento localizado e detalhado das culturas, é necessário um sistema que vise soluções para o mapeamento do terreno, redução de custos, gerenciamento da produção e rendimento operacional. O objetivo desde projeto é construir uma plataforma capaz de realizar a coleta de dados geográficos, que serão usados para mapear a área do terreno a ser utilizado. Um dispositivo móvel, acoplado ao trator, mostrará o mapa do terreno para o usuário visualizar o espaço a ser percorrido. Desta forma serão eliminados casos em que o cálculo manual de rotas ainda é realizado, evitando assim o desperdício de material ao se percorrer rotas maiores. O sistema será acoplado as colheitadeiras, possibilitando a coleta de dados para o cálculo da produção em cada

19 15 ponto do terreno, indicando áreas de maior e menor produção. O mapeamento do terreno, a marcação de rota e o controle da produção, possibilitarão ao agricultor um maior controle sobre sua lavoura, podendo aumentar seus rendimentos através da diminuição de custos com insumos e desperdícios de materiais. A plataforma construída permite: Mapeamento do terreno: acoplado ao Maquinário Agrícola (Trator ou Colheitadeira), um dispositivo móvel com a tecnologia de GPS integrada captará os dados, que após processados por um computador servidor, exibirá o mapeamento. Monitoramento da produção: no Período de colheita, um mecanismo acoplado a colheitadeira captará as informações referentes à quantidade de grãos coletados e com base nas coordenadas GPS os dados serão mapeados exibindo a produtividade de cada área do terreno. Redução de custos: através do controle da rota e mapeamento dos locais em que há necessidade ou não da aplicação de insumos, evitam-se desperdícios e sobreposições e aumenta-se o rendimento operacional e a velocidade do trabalho; Monitoramento da quantidade e qualidade da produção: com base nos dados de um ciclo agrícola (da preparação do terreno à colheita), o sistema irá auxiliar na tomada de decisões, na aplicação de insumos e na descoberta de áreas mais e menos produtivas. A seguir, o capítulo 2 desta monografia, apresenta uma revisão bibliográfica das tecnologias utilizadas no projeto, bem como o conjunto de técnicas nele aplicadas.

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21 17 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Este capítulo tem como objetivo básico apresentar uma revisão bibliográfica das tecnologias e do conjunto de técnicas utilizadas no processo de desenvolvimento do projeto, bem como os métodos de utilizados para aquisição de dados e comunicação entre as plataformas. A seção 2.1 apresenta sobre o sistema operacional Android, e a seção 2.2 apresenta sobre o Bluetooth, suas especificações, protocolos e funcionamento. A seção 2.3 apresenta Comunicação de Dados, que é utilizado o Wifi para tal e logo em seguida a seção 2.4 apresentando o Sistema Posicionamento Geográfico, sua história e seu modo de captura. Na seção 2.5 é apresentado sobre o Arduino, suas especificações ténicas e características da placa e a seção 2.6 trata da plataforma de desenvolvimento Desktop mostrando algumas de suas e as tecnologias utilizadas em seu desenvolvimento. A seção 2.7 apresenta o banco de dados e seus conceitos, e a seção 2.8 explica o funcionamento dos sockets, tecnologia utilizada na comunicação entre as duas plataformas utilizadas no projeto, e finalmente a seção 2.9 apresenta os produtos Comerciais Similares ao Projeto. 2.1 ANDROID Android é um sistema operacional móvel que roda sobre o núcleo Linux, inicialmente desenvolvido pela Google e posteriormente pela Open Handset Alliance, sendo a Google a responsável pela gerência do produto e engenharia de processos. O sistema permite aos desenvolvedores escreverem software na linguagem de programação Java. Seu primeiro telefone móvel comercialmente disponível a rodar o Android foi lançado em 22 de outubro de As principais funcionalidades e características estão citadas a seguir: Armazenamento: É utilizado SQLite para armazenamento de dados. Conectividade: O Android suporta uma grande variedade de tecnologias de conectividade incluindo GSM/EDGE, IDEN, CDMA, EV-DO, UMTS, LTE, Bluetooth, 3G, Wi-Fi e WiMAX. No projeto foi utilizado o Bluetooth, 3G, Wi- Fi.

22 18 Máquina Virtual Dalvik: Máquina virtual responsável pelos programas serem executados em qualquer dispositivo Android independentemente do processador utilizado. As aplicações escritas em Java são compiladas em bytecodes Dalvik e executadas usando a Máquina virtual Dalvik. Suporte Adicional de Hardware: O Android é totalmente capaz de fazer uso de câmeras de vídeo, tela sensível ao toque, GPS, acelerômetros, e aceleração de gráficos 3D. Para a captação da coordenada geográfica utilizamos o GPS. Ambiente de desenvolvimento (SDK): Inclui um emulador, ferramentas para debugging, memória e análise de desempenho. O IDE Eclipse poderá ser utilizado através do plugin Android Development Tools (ADT). O Android possui diversas versões sendo que desde a versão 1.5, são usados nomes de sobremesas ou bolos (em inglês) e uma lógica alfabética. Esta versão foi nomeada Cupcake, lançada em Abril de As versões que seguiram, a Donut (1.6), Eclair (2.1) Froyo (2.2) e Gingerbread (2.3), foram as versões lançada para celulares. Anteriormente não havia versões otimizada para tablets, até sair a versão Honeycomb em Janeiro de Esta versão vai da 3.0 até a 3.2. O primeiro tablet comercialmente disponível a rodar esta versão do sistema operacional específico foi o Motorola XOOM, lançado em 24 de fevereiro de 2011 nos Estados Unidos. Para o quarto trimestre de 2011 a Google pretende de lançar uma versão nomeada Ice Cream Sandwich, que fundirá seus produtos tablet Honeycomb e software do smatphone Gingerbread. É um sistema operacional universal que funciona, desde minúsculos telefones Android a tablets de 10 polegadas, tendo o poder de se adaptar a cada fator de forma (ANDROID, 2011). 2.2 BLUETOOTH Bluetooth é uma especificação industrial para áreas de redes pessoais sem fio (Wireless personal area networks PANs). O Bluetooth provê uma maneira de conectar e trocar informações entre dispositivos como telefones celulares, notebooks, computadores, impressoras, câmeras digitais e consoles de videogames digitais através de uma frequência de rádio de curto alcance globalmente não licenciada e segura.

23 19 As especificações do Bluetooth foram desenvolvidas e licenciadas pelo (em inglês) Bluetooth Special Interest Group. Ao contrário do seu antecessor, infravermelho (IrDA), que requer um adaptador separado para cada dispositivo, Bluetooth permite a comunicação com vários dispositivos ao mesmo tempo com um computador apenas com um único adaptador. Outra diferença ao IrDA se dá pelo tipo de radiação eletromagnética utilizada. Bluetooth é um protocolo padrão de comunicação primariamente projetado para baixo consumo de energia com baixo alcance, (dependendo da potência: 1 metro, 10 metros, 100 metros) baseado em microchips transmissores de baixo custo em cada dispositivo. O Bluetooth possibilita a comunicação desses dispositivos uns com os outros quando estão dentro do raio de alcance. Os dispositivos usam um sistema de comunicação via rádio, por isso não necessitam estar na linha de visão um do outro, e podem estar até em outros ambientes, contanto que a transmissão recebida seja suficientemente potente. O tipo de classe utilizado no projeto foi o classe 1, com alcance de até 100 metros. Tabela 1 - Características de classe do Bluetooth Classes Potência máxima permitida (mw/dbm) Alcance (Aproximadamente) Classe mw (20 dbm) até 100 metros Classe mw (4 dbm) até 10 metros Classe 3 1 mw (0 dbm) ~ 1 metro Fonte: Bluetooth SIG, 2011 Na configuração das conexões, qualquer dispositivo Bluetooth irá transmitir os seguintes pacotes de informações por demanda: Nome do dispositivo, Classe do dispositivo, Lista de serviços disponíveis e Informações técnicas, como por exemplo, características, fabricante, especificação Bluetooth e configuração de clock. Qualquer dispositivo pode realizar uma varredura para encontrar outros dispositivos disponíveis para conexão, e qualquer dispositivo pode ser configurado para responder ou não a essas requisições. Porém, se o dispositivo que estiver tentando conectar souber o endereço do outro dispositivo, o mesmo vai sempre responder a requisições de conexões diretas e transmitir as informações da lista se

24 20 requisitado. O uso dos dispositivos, porém, requer pareamento (conhecido também como "emparelhamento") ou aceitação do proprietário, porém a conexão por si ficará ativa e aguardando autorização até que seja finalizada ou até que saia do alcance. Alguns dispositivos podem se conectar apenas com um dispositivo por vez, e a conexão a esses dispositivos impede que eles possam receber requisições de outros ou que fiquem visíveis para outros aparelhos que estiverem realizando varredura. Cada dispositivo é dotado de um número único de 48 bits que serve de identificação, no formato 00:00:00:00:00:00 denominado "Endereço de Bluetooth" (Bluetooth Address) e são únicos e exclusivos para cada dispositivo fabricado, assim como o Endereço MAC das placas de rede. Os endereços geralmente não são mostrados, e no seu lugar aparecerá o nome do dispositivo, que pode ser configurado pelo proprietário. Esse nome aparecerá na lista de dispositivos disponíveis de qualquer aparelho que efetuar uma varredura. Emparelhar dispositivos é o ato de estabelecer uma comunicação segura "aprendendo" (por entrada do usuário) uma senha secreta (PIN). O dispositivo que deseja se comunicar com outro dispositivo deve informar uma senha que também deve ser digitada no outro dispositivo. Assim, depois de emparelhar, os dispositivos lembram os nomes amigáveis dos outros e conectam-se de forma transparente todas as vezes. Como o endereço Bluetooth é permanente, o pareamento é preservado, mesmo se o nome de algum dos dispositivos for trocado. Pareamentos podem ser apagados a qualquer momento. Muitos dispositivos exigem pareamento antes de permitir o uso dos seus serviços (BLUETOOTH SIG, 2011). 2.3 COMUNICAÇÃO DE DADOS O Wi-Fi é um conjunto de especificações para redes locais sem fio (WLAN - Wireless Local Area Network) baseada no padrão IEEE O nome Wi-Fi é tido como uma abreviatura do termo inglês Wireless Fidelity. É comum encontrar o nome Wi-Fi escrito como WiFi, Wi-fi ou até mesmo wifi. Todas essas denominações se referem à mesma tecnologia. Com a tecnologia Wi-Fi, é possível implementar redes que conectam computadores e outros dispositivos compatíveis (telefones celulares, consoles de videogame, impressoras, etc) que estejam próximos geograficamente. Essas redes

25 21 não exigem o uso de cabos, já que efetuam a transmissão de dados através de radiofrequência. Esse esquema oferece várias vantagens: permite ao usuário utilizar a rede em qualquer ponto dentro dos limites de alcance da transmissão por não exigir que cada elemento conectado use um cabo, permite a inserção rápida de outros computadores e dispositivos na rede, entre outros. A flexibilidade do Wi-Fi é tão grande, que se tornou viável a implementação de redes que fazem uso dessa tecnologia nos mais variados lugares, principalmente pelo fato das vantagens citadas no parágrafo anterior resultarem em diminuição de custos. Assim sendo, é comum encontrar redes Wi-Fi disponíveis em hotéis, aeroportos, rodoviárias, bares, restaurantes, shoppings, escolas, universidades, escritórios, hospitais, etc., que oferecem acesso à internet, muitas vezes de maneira gratuita. Para utilizar essas redes, basta ao usuário ter algum laptop, smartphone ou qualquer dispositivo compatível com Wi-Fi (INFONEWESTER, 2008). O padrão Wi-Fi opera em faixas de frequências que não necessitam de licença para instalação e/ou operação. Este fato as torna atrativas. No entanto, para uso comercial no Brasil é necessária licença da Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel). Para ter acesso à internet através de rede Wi-Fi deve-se estar no raio de ação ou área de abrangência de um ponto de acesso (normalmente conhecido por hotspot) ou local público onde opere rede sem fios e usar dispositivo móvel, como computador portátil, Tablet PC ou PDA com capacidade de comunicação sem fio, deixando o usuário do Wi-Fi bem à vontade em usá-lo em lugares de "não acesso" à internet, como aeroportos. Hotspot Wi-Fi, representado na figura 1, existe para estabelecer ponto de acesso para conexão à internet. O ponto de acesso transmite o sinal sem fios numa pequena distância, geralmente de até 100 metros, mas se a rede for do padrão IEEE n a distância pode chegar até 300 metros. Quando um periférico que permite "Wi-Fi", como um dispositivo móvel, encontra um hotspot, o periférico pode na mesma hora conectar-se à rede sem fio. Cada ponto de conexão tem sua identificação denominada Service Set Identifier (SSID), um conjunto de caracteres que, após definido, é inserido no cabeçalho de cada pacote de dados da rede. Em outras palavras, o SSID nada mais é do que o nome dado a cada rede sem fio (INFONEWESTER, 2008).

26 22 Atualmente, praticamente todos os computadores portáteis vêm de fábrica com dispositivos para rede sem fio no padrão Wi-Fi (802.11b, a, g ou n). Os principais padrões na família IEEE são: IEEE a: Padrão Wi-Fi para frequência 5 GHz com capacidade teórica de 54 Mbps. IEEE b: Padrão Wi-Fi para frequência 2,4 GHz com capacidade teórica de 11 Mbps. Este padrão utiliza DSSS (Direct Sequency Spread Spectrum Sequência Direta de Espalhamento de Espectro) para diminuição de interferência. IEEE g: Padrão Wi-Fi para frequência 2,4 GHz com capacidade teórica de 54 Mbps. IEEE n: Padrão Wi-Fi para frequência 2,4 GHz e/ou 5 GHz com capacidade de 65 à 600 Mbps. Esse padrão utiliza como método de transmissão MIMO-OFDM. Wi-Fi Protected Access (WPA e WPA2) são padrões de segurança instituído para substituir padrão WEP (Wired Equivalent Privacy) que possui falhas graves de segurança, possibilitando que um hacker pudesse quebrar a chave de criptografia após monitorar poucos minutos de comunicação (RECOVERYPLUSINFORMATICA, 2011). Figura 1 - Conexão do roteador com dispositivos na mesma rede

27 23 Fonte: RECOVERYPLUSINFORMATICA, 2011 Outra tecnologia de comunicação é o padrão 3G que é a terceira geração de padrões e tecnologias de telefonia móvel, substituindo o 2G. É baseado na família de normas da União Internacional de Telecomunicações (UIT), no âmbito do Programa Internacional de Telecomunicações Móveis (IMT-2000). As tecnologias 3G permitem às operadoras da rede oferecer a seus usuários uma ampla gama dos mais avançados serviços, já que possuem uma capacidade de rede maior por causa de uma melhora na eficiência espectral. Entre os serviços, há a telefonia por voz e a transmissão de dados a longas distâncias, tudo em um ambiente móvel. Normalmente, são fornecidos serviços com taxas de 5 a 10 megabits por segundo. Ao contrário das redes definidas pelo padrão IEEE , as redes 3G permitem telefonia móvel de longo alcance e evoluiu para incorporar redes de acesso à Internet em alta velocidade e Vídeo-telefonia. As redes IEEE (mais conhecidas como Wi-Fi ou WLAN) são de curto alcance e ampla largura de banda e foram originalmente desenvolvidas para redes de dados, além de não possuírem muita preocupação quanto ao consumo de energia, aspecto fundamental para aparelhos que possuem pouca autonomia energética (SIEMENS, 2011). 2.4 POSICIONAMENTO GEOGRÁFICO GPS O sistema de posicionamento global, popularmente conhecido por GPS (Global Positioning System, ou traduzido para o português "geo-posicionamento por satélite") é um sistema de navegação por satélite que fornece a um aparelho receptor móvel a posição do mesmo, assim como informação horária, sob todas quaisquer condições atmosféricas, a qualquer momento e em qualquer lugar na Terra, desde que o receptor se encontre no campo de visão de quatro satélites GPS. Encontram-se em funcionamento dois sistemas de navegação por satélite: o GPS americano e o GLONASS russo. Existem também dois outros sistemas em implementação: o Galileo da União Europeia e o Compass chinês. O sistema americano é detido pelo Governo dos Estados Unidos e operado através do Departamento de Defesa. Inicialmente o seu uso era exclusivamente militar, estando

28 24 atualmente disponível para uso civil gratuito. O GPS foi criado em 1973 para superar as limitações dos anteriores sistemas de navegação (MILIMA, 2005). O sistema foi declarado totalmente operacional apenas em Seu desenvolvimento custou 10 bilhões de dólares. Consiste numa "constelação" de 28 satélites sendo 4 sobressalentes em 6 planos orbitais. Os satélites GPS, construídos pela empresa Rockwell, foram lançados entre Fevereiro de 1978 (Bloco I), e 6 de Novembro de 2004 (o 29º). Cada um circunda a Terra duas vezes por dia a uma altitude de quilometros (12600 milhas) e a uma velocidade de quilometros por hora (7000 milhas por hora). Os satélites têm a bordo relógios atómicos e constantemente difundem o tempo preciso de acordo com o seu próprio relógio, junto com informação adicional como os elementos orbitais de movimento, tal como determinado por um conjunto de estações de observação terrestres (OFICINA, 2009). Para a medição, o receptor não necessita de ter um relógio de tão grande precisão, mas sim de um suficientemente estável. O receptor capta os sinais de quatro satélites para determinar as suas próprias coordenadas, e ainda o tempo. Então, o receptor calcula a distância a cada um dos quatro satélites pelo intervalo de tempo entre o instante local e o instante em que os sinais foram enviados (esta distância é chamada pseudo-distância). Decodificando as localizações dos satélites a partir dos sinais de micro-ondas (tipo de onda eletromagnética) e de uma base de dados interna, e sabendo a velocidade de propagação do sinal, o receptor, pode situar-se na intersecção de quatro calotes, uma para cada satélite (TECMUNDO, 2008). Além de sua aplicação óbvia na aviação geral e comercial e na navegação marítima, qualquer pessoa que queira saber a sua posição, encontrar o seu caminho para determinado local (ou de volta ao ponto de partida), conhecer a velocidade e direção do seu deslocamento pode-se beneficiar com o sistema. Atualmente o sistema está sendo muito difundido em automóveis com sistema de navegação de mapas, que possibilita uma visão geral da área que você está percorrendo. A comunidade científica utiliza-o pelo seu relógio altamente preciso. Durante experiências científicas de recolha de dados, pode-se registrar com precisão de micro-segundos (0, segundo) quando a amostra foi obtida. Naturalmente a localização do ponto onde a amostra foi recolhida também pode ser importante. Agrimensores diminuem custos e obtêm levantamentos precisos mais rapidamente

29 25 com o GPS. Unidades específicas têm custo aproximado de dólares e precisão de 1 metro, mas existem receptores mais caros com precisão de 1 centímetro. A recolha de dados por estes receptores é mais lenta (PETCIVIL, 2011). A figura 2 ilustra o modo de captura de coordenadas GPS, em que cada satélite transmite um sinal que é recebido pelo receptor, este por sua vez mede o tempo que os sinais demoram a chegar até ele. Multiplicando o tempo medido pela velocidade do sinal (a velocidade da luz), obtemos a distância receptor-satélite. Figura 2 - Modo de captura de coordenadas GPS Fonte: MALIMA, ARDUINO Arduino é uma plataforma de hardware livre, projetada com um microcontrolador Atmel AVR de placa única, com suporte de entrada/saída embutido e uma linguagem de programação padrão, essencialmente C/C++. Pode ser usado para o desenvolvimento de independentes objetos interativos, ou ainda para ser conectado a um computador servidor. Uma típica placa Arduino é composta por um controlador, algumas linhas de E/S digitais e analógicas, além de uma interface serial ou USB, para interligar-se ao servidor, que é usado para programá-la e interagir em tempo real. Como hardware, os Arduinos originais utilizam a série de chips megaavr, especialmente os ATmega8, ATmega168, ATmega328 e a ATmega1280, porém muitos outros processadores foram utilizados por clones deles. A grande maioria de placas inclui um regulador linear de 5 volts e um oscilador de cristal de 16 MHz. Além de ser microcontrolador, o componente também

30 26 é pré-programado com um bootloader que simplifica o carregamento de programas para o chip de memória flash embutido, comparado com outros aparelhos que usualmente necessitam de um chip programador externo. Ao utilizar seu software, são montadas todas as placas sobre uma programação de conexão serial RS-232, mas a maneira que é implementado no hardware varia em cada versão. Suas placas seriais contém um simples circuito inversor para converter entre os sinais dos níveis RS-232 e TTL. Atualmente, existem alguns métodos diferentes para realizar a transmissão dos dados, como por placas programáveis via USB, adicionadas através de um chip adaptador USB-para-Serial como o FTDI FT232 (ARDUINO, 2011). Algumas variantes, como o Arduino Mini e o não oficial Boarduino, usam um módulo, cabo adaptador USB, bluetooth ou outros métodos. Nestes casos, são usados com ferramentas microcontroladoras ao invés do Arduino IDE, utilizando assim a programação padrão AVR ISP. A maioria dos pinos de E/S dos microcontroladores são para uso de outros circuitos. A versão Diecimila, que substituiu a Duemilanove, por exemplo, disponibiliza 14 pinos digitais, 6 das quais podem produzir sinais MLP, além de 6 entradas analógicas. Estes estão disponíveis em cima da placa, através de conectores fêmeas de 0,1 polegadas (ou 0,25 centímetros). O modelo Nano, Boarduino e placas compatíveis com estas, fornecem conectores machos na parte de baixo da placa, para serem plugados em protoboards (ESTUDIOLIVRE, 2008). Para a parte de software, temos o Arduino IDE que é uma aplicação multiplataforma escrita em Java na qual é derivada dos projetos Processing e Wiring. Inclui um editor de código com recursos de realce de sintaxe, parênteses correspondentes e identação automática, sendo capaz de compilar e carregar programas para a placa com um único clique. Com isso não há a necessidade de editar Makefiles ou rodar programas em ambientes de linha de comando. Tendo uma biblioteca chamada "Wiring", ele possui a capacidade de programar em C/C++. Isto permite criar com facilidade muitas operações de entrada e saída, tendo que definir apenas duas funções no pedido para fazer um programa funcional: setup() Inserida no inicio, na qual pode ser usada para inicializar configuração, e loop() Chamada para repetir um bloco de comandos ou esperar até que seja desligada.

31 27 O Arduino IDE usa o Conjunto de ferramentas GNU e o AVR Libc para compilar os programas, para depois, com o avrdude, enviar os programas para a placa. O conjunto original é fabricado pela companhia italiana Smart Projects, porém a estadunidense SparkFun Electronics também possui algumas marcas comerciais sob a mesma licença. O Arduino e clones fazem uso de shields (escudos, em inglês), nas quais são placas de circuito impresso normalmente fixados no topo do aparelho, através de uma conexão alimentada por pinos-conectores. Estes são expansões para ele, sendo que disponibilizam várias funções específicas, desde manipulação de motores até sistemas de rede sem fio. Alguns exemplos são o Arduino Ethernet Shield (para conexão de rede), GPS Shield (para posicionamento geográfico), Shields Wi-Fi, Bluetooth, entre outros. Diversos tipos de sensores podem ser facilmente acoplados a placa (ARDUINO, 2011). O sensor ultrassônico ou sensor ultrassom como é chamado, foi acoplado ao Arduino neste projeto. Seu princípio de funcionamento está baseado na emissão de uma onda sonora de alta frequência, e na medição do tempo levado para a recepção do eco produzido quando esta onda se choca com um objeto capaz de refletir o som. Eles emitem pulsos ultrassônicos ciclicamente. Quando um objeto reflete estes pulsos, o eco resultante é recebido e convertido em um sinal elétrico representado na figura 3. A detecção do eco incidente depende de sua intensidade e da distância entre o objeto e o sensor ultrassônico. Os sensores ultrassônicos funcionam medindo o tempo de propagação do eco, ou seja, intervalo de tempo medido entre o impulso sonoro emitido e o eco do mesmo. A construção do sensor faz com que o feixe ultrassônico seja emitido em forma de um cone. Figura 3 - Funcionamento de um sensor ultrassônico Fonte: AUTOMATIZESENSORES, 2008 Os mesmos sensores podem ser utilizados para vários tipos de aplicações industriais, como por exemplo, detecção de presença ou ausência de objetos em

32 28 esteiras, medição da altura de objetos, medição da distância em empilhadeiras, monitoramento de continuidade, aviso de aproximação como os sensores de estacionamento em automóveis, entre outras (AUTOMATIZESENSORES, 2008). 2.6 PLATAFORMA DE DESENVOLVIMENTO DESKTOP O software servidor, ou desktop como citado em partes do texto, consta em um software para plataforma Windows desenvolvido pela tecnologia WPF (Windows Presentation Fundation) e a linguagem de programação C#. Essa tecnologia é utilizada para o desenvolvimento de interfaces e aplicativos. Sua primeira versão foi somente disponibilidade a partir do.net Framework 3. O.NET (dotnet) framework é uma iniciativa da empresa Microsoft, que visa uma plataforma única para desenvolvimento e execução de sistemas e aplicações. Todo e qualquer código gerado para.net, pode ser executado em qualquer dispositivo que possua um framework de tal plataforma. Com ideia semelhante à plataforma Java, o programador deixa de escrever código para um sistema ou dispositivo específico, e passa a escrever para a plataforma.net (MICROSOFT, 2011). Um programa que usa WPF é normalmente composto por duas partes: um arquivo XML com características especiais chamado XAML (extended Aplication Markup Language, pronuncia-se zémel ), e um código para.net (que pode ser escrito em qualquer linguagem compatível, VB.net, C#, entre outras). O arquivo XAML contém as diretrizes de interface, podendo ser comparado ao HTML. Na implementação deste projeto utilizou o WPF com a linguagem C# e o.net Framework 4.0. Para programação do software necessita-se de uma IDE (Integrated Development Environment), um ambiente integrado para desenvolvimento. A IDE fornecida pela Microsoft e utilizada para a programação foi o Microsoft Visual Studio BANCO DE DADOS

33 29 Para ambas as aplicações tanto a Desktop (WPF) quanto a Mobile (Android) necessita um modo de guardar os dados. A maneira mais eficaz de os softwares armazenarem seus dados é o conhecido como banco de dados. Banco de dados (ou base de dados) é um conjunto de registros dispostos em estrutura regular que possibilita a reorganização dos mesmos e produção de informação. Um banco de dados normalmente agrupa registros utilizáveis para um mesmo fim. Um banco de dados é usualmente mantido e acessado por meio de um software conhecido como Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGBD). Normalmente um SGBD adota um modelo de dados, de forma pura, reduzida ou estendida. O modelo de dados mais adotado hoje em dia é o modelo relacional, onde as estruturas têm a forma de tabelas, compostas por tuplas (linhas) e colunas. Um Sistema de Gestão de Bases de Dados, (SGBD) não é nada mais do que um conjunto de programas que permitem armazenar, modificar e extrair informação de um banco de dados. Para o software mobile utilizou-se o SGDB SQL Lite e para o software desktop foi utilizado o Microsoft SQL Server Express, ambos com a linguagem SQL. A linguagem SQL (Structured Query Language), ou Linguagem de Consulta Estruturada, é uma linguagem de pesquisa declarativa para banco de dados relacional. Muitas das características originais do SQL foram inspiradas na álgebra relacional (RUISALEMA, 2011). 2.8 SOCKET É necessário um mecanismo de comunicação entre as plataformas desenvolvidas, para sincronização dos dados e armazenamento deles em um único loca. O mecanismo que oferece capacidade para troca de informações em rede no mais baixo nível é chamado socket (UC Berkeley, 1989). Um socket define um mecanismo de troca de dados entre dois ou mais processos distintos, processos estes que podem estar em execução na mesma máquina ou em máquinas diferentes, porém ligadas em rede. Uma vez estabelecida à ligação entre dois processos através dos socket, podem ser enviados dados em ambos os sentidos até que um dos pontos termine a ligação. A implementação de um socket pode ser feito a partir de várias linguagens de programação. Quando dois computadores querem manter uma conversação, cada um deles utiliza um socket. Um computador é chamado servidor (ele abre um socket e presta atenção às conexões) e o outro

34 30 computador denomina-se cliente (ele chama o socket servidor para iniciar a conexão). O servidor espera pedidos de seus clientes, os processa e retorna os resultados ao cliente. O cliente estabelece uma conexão com o servidor, conectando-se a uma porta do servidor na máquina onde o servidor está sendo executado. Resumidamente os passos necessários para aplicativos cliente/servidor baseados em conexões são demonstrados na figura 4. Os servidores, basicamente devem criar o socket em uma porta específica, chamar o receive, a fim de esperar pacotes que estão chegando e responder aos pacotes recebidos, de acordo com o protocolo estabelecido. O cliente corresponde ao servidor e utiliza o mesmo processo, com uma única exceção: um cliente tem de iniciar a conversação (SILVA, 2011). Figura 4 - Estrutura básica cliente e servidor 2.9 PRODUTOS COMERCIAIS SIMILARES AO PROJETO Devido às inúmeras vantagens da implantação da Agricultura de Precisão nas lavouras, grandes empresas do ramo decidiram investir pesado. A empresa que não possui atualmente nenhuma máquina equipada com algum sistema de precisão, não tem competitividade no mercado Dentre as maiores empresas podemos citar a STARA, NEW HOLLAND, JOHN DEERE e MASSEY FERGUSON. Especialmente no Brasil, essas quatro grandes empresas buscam mercado disputando vendas e mostrando seus sistemas nas principais cidades e feiras agrícolas do país (MARCASEMÁQUINAS, 2011).

35 31 Para adquirir um sistema eficiente de agricultura de precisão no Brasil, o custo é relativamente alto, e tem como foco os grandes produtores de grãos que por sua vez possuem as maiores quantidades de terra. Os estados que possuem os maiores produtores de grãos do Brasil são Mato Grosso, Paraná e Goiás. Como o Brasil é um dos maiores produtores agrícolas do mundo, a tendência é que cada vez mais exista a automação e precisão nos processos de agricultura. Abaixo serão relatados os principais equipamentos comerciais das quatro empresas citadas acima que estão relacionados à Agricultura de precisão. A Massey Ferguson tem com principal produto o Piloto Automático System 150 que possibilita acoplar um piloto automático a um trator específico da marca e segue rotas com precisão do GPS de até dois cm. A New Holland possui quatro opções. Barras de luzes indicando se o operador está dentro ou fora da rota, piloto automático auxiliando o operador com as barras de luzes, piloto elétrico que corrige rota caso o operador esteja indo na rota errada e monitores visuais para visualização e controle das funções da máquina. A John Deere e a Stara possuem mais opções, não somente para captura dos dados mas também para exibição. A John Deere possui as opções de equipamentos para aquisição do sinal GPS, direcionamento, monitores, gerenciamento de informações e gerenciamento de frota e plantio. A precisão do GPS pode chegar a um cm. É um sistema robusto, porém de alto custo para produtores de pequeno porte. A Stara tem investindo bastante em máquinas agrícolas já equipadas para variação na taxa de grãos, adubos e defensivos. Ela possui atualmente oito opções de produtos distribuídos em quatro categorias, sendo elas antenas, controladores, GPS e piloto automático Diferenças do projeto com os produtos existentes Uma função bastante explorada nas máquinas comerciais acima é o piloto automático que não pertence a implementação deste projeto, podendo ser implementado como melhoria no futuro, mas isso envolve uma pesquisa e técnicas de acoplamento mais robustas.

36 32 O projeto visa atender qualquer marca de máquina agrícola, não tendo limitações ao tipo de máquina. Outro fator importante é o foco do produto, que serve tanto para pequenos quanto para grandes produtores agrícolas. Quanto às tecnologias dos produtos, nenhuma utiliza como captura dos dados e exibição ao mesmo tempo um dispositivo móvel. O projeto não fica limitado a apenas captura dos dados, mas a exibição em um software no computador próprio possibilita ao envolvidos no processo de cultivo visualizar e acompanhar a sua lavoura.

37 33 3 ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO Esta seção contém a Especificação de Projeto para Automação do Processo de Pulverização de Defensivos e Mapeamento da Produção, considerando aspectos da solução, ou seja, detalhes técnicos de como o sistema foi construído. 3.1 VISÃO GERAL A plataforma consiste em dois módulos conforme a figura 5, sendo uma arquitetura de cliente e servidor. O cliente possui um dispositivo móvel utilizado para interagir com o usuário, realizar conexões Bluetooth e fornecer coordenadas GPS. Neste módulo ocorre a coleta dos dados necessários para serem enviados posteriormente ao módulo Servidor. O servidor, após a sincronização de dados com o cliente, processa as informações que poderão ser utilizadas como base para futuros plantios naquela mesma área e poderão ser representadas na forma de um mapa de calor, ou seja, exibindo um mapa relacionando intensidades de cores com valores inseridos nele. Figura 5 - Diagrama de blocos geral do sistema A área total de produção será obtida no momento da colheita, percorrendo-se a área da lavoura com o dispositivo móvel e o GPS, captando as coordenadas

38 34 geográficas. Após esse mapeamento, as informações serão sincronizadas a um computador que irá armazenar o mapa da área a ser utilizado, como demonstra a figura 6. Figura 6 - Mapa total da área e seus dados O dispositivo portátil, é responsável pela coleta dos dados geográficos e serve para mostrar o controle da rota e as informações necessárias ao condutor da máquina agrícola, seja ela trator ou uma colheitadeira. Os dados coletados pelo dispositivo portátil são sincronizados com um software que processa as informações, sendo responsável pela exibição da rota. Os mapas de produtividade do solo também são processados e exibidos no software do servidor. No ciclo da colheita, a colheitadeira terá um mecanismo que possibilita coletar informações detalhadas sobre a produção em cada parte da lavoura, como representado na figura 7. Esses dados são repassados para o dispositivo portátil e posteriormente sincronizados com o servidor para o desenvolvimento do mapa de produtividade. Figura 7 - Tecnologias usadas na colheita

39 35 Somente no ciclo da colheita que todas as tecnologias serão combinadas, ou seja, o dispositivo portátil e o mecanismo que registrará os dados da produção. O mapa de produtividade possui cores que identificam áreas com maior e menor produtividade de acordo com uma legenda específica Amostras de solo coletadas separadamente podem ser cadastradas no software para realização de um mapeamento com informações sobre o solo. Esses dados são armazenados em uma base de dados e podem ser acessados pelo usuário a qualquer instante. Após a coleta e processamento de todos os dados, finalizando um ciclo de agricultura, todos os dados encontram-se disponíveis para consulta e análise podendo ser utilizados para futuras tomadas de decisões, juntamente com o engenheiro agrônomo responsável pela lavoura. 3.2 REQUISITOS Um microcontrolador para realizar a leitura dos sensores, módulos de ultrasom e Bluetooth para a medição do nível da caixa, onde são armazenadas as sementes durante a colheita, e para comunicação com o sistema micro-controlado respectivamente, um dispositivo móvel com sistema operacional Android 2.1 ou superior possuindo módulos de Bluetooth, de conexão Wifi e GPS. 3.3 COMPONENTES Microcontrolador com características equivalentes ou superiores a: Clock de 16 MHz; Portas de entrada e saída (I/O) digitais: 14; Portas de entrada analógicas: 8; Corrente DC por pino de I/O: 40mA; Memória Flash 16kB; Módulo para transmissão de dados utilizando protocolo UART; Módulo de medição ultra-sônica com características equivalentes ou superiores a: Freqüência ressonante: 40kHz com variação de mais ou menos 2kHz; Tensão: 5V DC;

40 36 Corrente de consumo: Menor que 2mA; Sinal de saída: Sinal elétrico da frequência, 5V de nível alto, 0V de nível baixo; Ângulo do sensor: 15 ; Distância da detecção: 2cm a 4m; Precisão: Até 0.3cm; Modem Bluetooth Mate Gold ou semelhante com características equivalentes ou superiores a: Modem Bluetooth classe 1, possuindo um alcance aproximado de 100 metros em campo aberto e 30 metros em ambiente fechado; Consumo de corrente: 25mA; Frequência: GHz; Tensão: 3.3V até 6V; Comunicação Serial: 2400 a bps; Bateria de lítio/polímero (Lipo): capacidade de 1200 mah e tensão de 7.4 V; 3.4 HARDWARE Há dois tipos de dados coletados, um na fase de plantio e dois na fase de colheita. No plantio um dispositivo é acoplado no interior da cabine do condutor que realiza a coleta dos dados do GPS e os armazena. Já na fase da colheita um sistema acoplado a máquina agrícola, constituído de dois dispositivos, realiza a coleta dos dados do GPS e a medição do nível da caixa de grãos. Para detectar o nível desta caixa, um dos dispositivos é implantado no interior dela e o outro fica dentro da cabine do condutor. O dispositivo localizado na caixa, além de monitorar o nível dela, realiza o envio desses dados para o dispositivo localizado dentro da cabine do condutor, que por sua vez, recebe esses dados e juntamente com os dados coletados do GPS, são armazenados. A analise do nível da caixa onde os grãos são armazenados é feita por um módulo ultra-som HC-SR04, mostrado na figura 8. Este sensor fornece medidas de distância entre 2cm e 4m com uma precisão de até 3mm. O componente inclui transmissor, receptor e circuito de controle.

41 37 Figura 8 - Módulo ultrassônico HC-SR04 Fonte: ITEADSTUDIO, 2011 Este módulo possui 4 pinos: VCC, Trig, Echo e GND. O processo de medição se resume em colocar o pino TRIG em nível ALTO por mais de 10us, e a medição começa; quando o ultra-som emitido bater em um obstáculo e voltar, o pino ECHO ficará em nível alto. Assim, a distância do obstáculo pode ser medida pelo tempo em que o pino ECHO levou para ficar em nível alto depois de o pino Trig ter sido colocado em nível alto. O cálculo da distância é definido pela Equação 1. Distância = ((tempo para ECHO ficar em nível alto) (velocidade do som: 340m/s)) 2 (Equação 1) Para a manipulação do módulo ultrassônico é utilizada a plataforma Arduino, podendo ser visualizado na figura 9, que é uma plataforma open source e serve para prototipação eletrônica, possuindo um ambiente de desenvolvimento próprio. Pode ser usado para desenvolver projetos iterativos, tomando vários switches ou sensores, e controlando uma variedade de luzes, motores, mecanismos, entre outras saídas. Esses projetos podem ser tanto autônomos como se comunicar com software.

42 38 Figura 9 - Plataforma Arduino Fonte: BARROS, 2011 O microcontrolador Atmega, opera com tensões de 5V e 3.3V e o circuito da placa pode ser alimentado de 6 a 20V, possuindo 14 pinos digitais de entrada e saída, na qual 6 podem ser usados como saídas PWM, e 8 pinos de entrada analógicos. O pino Trig do sensor deve ser conectado a um dos pinos de PWM do Arduino, para realizar o pulso do sinal. O esquemático da ligação é mostrado na figura 10. O código para o Arduino manipula o módulo ultrassônico e calcula a distância do sensor até os grãos. Para isso é utilizada a classe Ultrasonic Rangefinder (ITead Studio, 2010). Ela mede a distância absoluta com base no tempo de ida de um pulso gerado pelo controlador. FIGURA 10 - LIGAÇÃO DO MÓDULO ULTRASSÔNICO AO ARDUINO Esta classe possui três funções, uma delas sendo a função inicial, que são passados parâmetros de Trig e Echo, ou seja, os pinos de conexão do Arduino com os pinos do módulo. As outras duas funções, Timing e Ranging, retornam o tempo

43 39 de duração de um pulso e a distância de um objeto em frente ao sensor, respectivamente. O método Ranging (CM) emite um sinal, através do Trigger e em seguida realiza a leitura do pino Echo e faz o cálculo da distância e a conversão desta medida para centímetros. Os dados captados são escritos via serial onde o módulo Bluetooth os transmite para o dispositivo portátil realizando o armazenamento dos mesmos. O Bluetooth Mate Gold da Sparkfun foi escolhido para ser utilizado no projeto, sendo mostrado na figura 11. Foi projetado para ser usado por Arduinos Pros e LilyPads Arduinos. Ele funciona como uma porta serial e capta qualquer stream de 9600 a bps. Esse módulo é classe 1, ou seja, funciona com uma potência de 100mW (20 dbm) possuindo um alcance de até 100 metros em campo aberto e 30 metros em ambiente fechado. O Bluetooth Mate possui reguladores de tensão onboard, podendo ser alimentado com 3.3 a 6V. Figura 11 - Bluetooth Mate Gold Fonte: SPARKFUN, 2011 Tanto para o plantio quanto para a colheita, é utilizado apenas um dispositivo portátil, possuindo módulos Bluetooth e GPS. Esses módulos denominados de cliente são sincronizados com o servidor, sendo um computador comum, possuindo o software desenvolvido para realizar a comunicação das plataformas, o cálculo das rotas, da produtividade e o armazenamento da amostragem do solo. A comunicação das plataformas é realizada por Wifi, necessitando que ambos estejam conectados na mesma rede, como um roteador em comum por exemplo.

44 SOFTWARE O sistema como um todo é chamado de APSYS, dividido em duas plataformas, uma mobile e outra desktop. A plataforma mobile é um software para o sistema operacional Android sendo referenciada com o nome de APSYS-MOBILE. A outra plataforma desktop foi desenvolvida em C#, referenciada com o nome APSYS- DESKTOP. A seguir são descritos a prototipação das telas, os diagramas (casos de uso, sequência e classe) e MER (modelo entidade relacionamento) para cada um dos softwares. Como parte da Engenharia de Software do projeto, foram elaborados os diagramas da linguagem de modelagem UML ( Unified Modeling Language ), foram elaborados os diagramas de casos de uso, diagrama de classe e diagrama de sequência. O diagrama de casos de uso tem a função de descrever os cenários que podem ocorrer no software. O diagrama de classes é uma representação da estrutura e relações das classes que servem de modelo para objetos. Este diagrama se faz necessário para a definição das classes que o sistema necessita e que facilita no momento do desenvolvimento. Por fim, o diagrama de sequência como o próprio nome sugere indica uma sequência em que os cenários ocorrem Desktop O primeiro contato com o software Desktop é uma tela de apresentação chamada de Tela inicial, aonde o usuário poderá Cadastrar, Ver e Excluir uma Lavoura como segue no diagrama de caso na figura 12.

45 41 Figura 12 Diagrama de caso de uso da tela inicial do software desktop Ao iniciar o software pela primeira vez, nenhum dado é disponibilizado. Portanto, as linhas em pontilhado do diagrama da figura 12 significam que para os casos de Ver Lavoura e Deletar Lavoura serem habilitados, dependem da execução do cadastro de pelo menos uma lavoura. No cadastro de lavoura do APSYS- DESKTOP o usuário terá que entrar com alguns dados da lavoura, sendo que esses mesmos dados serão utilizados para exibição. O sistema não limita o número de lavouras que o usuário pode cadastrar, lembrando que cada lavoura terá suas características individuais, como por exemplo, o terreno delimitado e o mapa de produção. O diagrama da figura 13 ilustra o caso de uso do cadastro de uma lavoura. Neste cadastro existem dados da lavoura em que o usuário inicialmente deverá preencher como nome, cultivo, data do plantio, tamanho da plataforma e descrição. Figura 13 - Diagrama de caso de uso do cadastro de lavoura Os dados complementares são preenchidos conforme as sincronizações de dados com o MOBILE forem executadas. Após o cadastro da primeira lavoura, já é possível excluí-la ou selecioná-la. Ao selecionar uma lavoura o usuário possui um painel disponível com as possíveis ações que ele poderá executar no software, sendo elas Rotas de defensivos, Mapa de Produção, Editar Configurações, Ver Detalhes, Cadastro de Amostras, Relatório e Sincronizar conforme a figura 14.

46 42 Figura 14 - Esboço da tela de cadastro e opções da lavoura Cada função da lavoura citada acima depende que os dados sejam inseridos, ou que haja uma sincronização para que eles existam. Caso contrário, nenhum dado será trazido na função (exemplo: Não será exibido o mapa do terreno delimitado se nenhuma sincronização de delimitação for feita). O diagrama de caso de uso da figura 15 representa as ações que o usuário poderá fazer ao selecionar uma lavoura. É importante salientar que a maioria das ações depende da captura e sincronização dos dados com o APSYS-MOBILE. Figura 15 - Diagrama de caso de uso da seleção de ações Um módulo de grande importância é o módulo de sincronização de dados, é nele que ocorre a troca de dados entre o MOBILE e o DESKTOP. A Sincronização dos sistemas (MOBILE e DESKTOP) sempre é invocada pelo mobile, podendo ser de lavoura, colheita, delimitação de terreno ou de rota. Para que haja a sincronização, ambos os sistemas devem estar na mesma rede e o usuário terá que selecionar a opção sincronização no servidor (DESKTOP) e fazer a solicitação pelo

47 43 cliente (MOBILE). Na figura 16 temos o diagrama de caso de uso da Sincronização de Dados. Figura 16 - Diagrama de caso de uso da sincronização O servidor reconhece automaticamente que tipo de dado é enviado pelo dispositivo Android guardando-os em seguida. Os dados podem ser de delimitação, colheita ou de rota. Para que se possa acessar as lavouras cadastradas no software desktop, é necessário realizar solicitação uma sincronização, solicitando ao servidor que encaminhado todas as lavouras contidas em sua base de dados para o dispositivo portátil, que em seguida realiza o armazenamento, disponibilizando as lavouras para seleção na tela inicial. Na figura 17 é apresentado o esboço da tela de detalhes do menu principal da lavoura. Esta tela contém os dados de plantio, colheita e os mapas de delimitação e produção. Figura 17 - Esboço da tela de detalhes do menu principal da lavoura Outra funcionalidade que pode ser muito útil é a exibição de relatório, que gera documentos no formato Microsoft Word ou Microsoft Excel. Esse relatório

48 44 contém informações do cadastro da lavoura, dados do mapa obtidos pela delimitação de terreno e outras informações extraídas no momento da colheita. Finalizando a especificação de software do APSYS-DESKTOP, na figura 18, tem-se o diagrama de classes citado no começo deste capítulo. O diagrama conta com cinco classes. A classe principal é a de lavoura, sendo que colheita, rota, sincronização e amostra estão associadas à lavoura por um identificador único, nomeado Id. Figura 18 - Diagrama de classes do APSYS-DESKTOP

49 Mobile O sistema APSYS-MOBILE é o responsável pela captura dos dados e sincronização dos mesmos com a APSYS-DESKTOP. Este sistema disponibiliza ao usuário quatro módulos: Delimitação do Terreno Monitoramento da Colheita Marcação da Rota Sincronização Para que o usuário ou operador tenha acesso às lavouras, o primeiro passo é fazer uma sincronização do tipo lavouras. Esta sincronização consta no envio de uma requisição do cliente para o servidor, que retornará todas as lavouras cadastradas. Após esta sincronização, deve-se escolher qual a lavoura deseja e coletar os dados. Nota-se no diagrama da figura 19 para selecionar uma lavoura e executar qualquer tipo de sincronização é necessário que uma sincronização de lavouras tenha sido executada. Figura 19 - Diagrama de caso de uso da sincronização O software do dispositivo portátil é responsável pelas solicitações de sincronização com o servidor. Para que isso ocorra deve-se escolher qual o tipo da sincronização e apertar o botão sincronizar. Para que as sincronizações sejam realizadas com sucesso, se faz necessário a existência de dados para a transferência, caso contrário as sincronizações não terão efeito. As sincronizações devem seguir uma ordem, como detalhado no diagrama de sequência da figura 20. Primeiramente deve ser executado a sincronização de

50 46 lavouras e somente depois as sincronizações de delimitação, rota e colheita devem ser feitas. Figura 20 - Diagrama de sequência da sincronização Para os quatro módulos, existe uma tela de configurações globais em que se podem configurar ações como o tempo de captura da coordenada GPS, a distância máxima percorrida para a captura de uma coordenada GPS, o endereço físico do computador (IP), altura da caixa para o monitoramento da colheita e o tempo para envio dos dados dos sensores. O diagrama da figura 21 apresenta este caso de uso. Figura 21 - Diagrama de caso de uso da tela de configuração Na sequência de sincronização, configurando o APSYS-MOBILE na tela de configurações, o próximo passo é efetuar a delimitação do terreno. Neste módulo, o

51 47 usuário percorrerá as extremidades do terreno com dispositivo ligado na tela de delimitação esboçada na figura 22. Figura 22 - Esboço da tela de delimitação de terreno Para o funcionamento deste módulo é necessário que o GPS do dispositivo mobile esteja ativado. O usuário terá a opção de 4 botões, iniciar, continuar, pausar e parar. Ao terminar a delimitação e clicar em parar os dados serão gravados e estarão prontos para serem sincronizados. Figura 23 Diagrama de caso de uso da delimitação de colheita Observando o diagrama da figura 23 nota-se a dependência do GPS ativo para que ocorra a delimitação, e uma opção de ativar a tecnologia 3G ou Wi-Fi. Ativados ou não, o 3G e o Wi-Fi não são impeditivos para que a delimitação ocorra.

52 48 Eles têm a função de fazer a conexão de dados com a Internet e mostrar ao usuário o mapa da região em tempo real enquanto percorrem o terreno. O módulo de marcação da rota é semelhante ao de delimitação de terreno. O que os diferencia é que neste módulo o usuário percorrerá uma rota que poderá ser utilizada para defensivos. Assim como na delimitação ele também depende do GPS e tem as conexões com a Internet como opcionais. A tela seguirá o mesmo padrão da delimitação e os dados serão guardados e prontos para serem sincronizados. O último módulo é o de monitoramento de colheita. Este módulo permite monitorar a colheita coletando ao mesmo tempo dados dos sensores via Bluetooth e coordenadas GPS. FIGURA 24 Diagrama de casos de uso do monitoramento de colheita O diagrama da figura 24 ilustra o funcionamento do módulo de Colheita, que somente será acessado se o GPS e Bluetooth estiverem ativados no dispositivo mobile. As configurações de tempo de captura do GPS e sensores e o tamanho da caixa devem ser configurados antes de realizar qualquer operação. Ao longo da colheita os dados serão gravados para posteriormente, quando sincronizados, a geração do mapa de produção utilize esses dados para geração do mapa. No esboço da figura 25 temos um gráfico que indicará ao operador da máquina ou usuário o nível da caixa da máquina colheitadeira. A medição do nível da caixa será feita pelos sensores ultrasônicos conectados a um microcontrolador que envia os dados ao MOBILE pela comunicação Bluetooth.

53 49 FIGURA 25 Esboço da tela de monitoramento de colheita Assim como na delimitação e na marcação de rota temos os botões continuar, pausar e salvar. Depois de conectado com os sensores o monitoramento inicia, podendo ser pausado e retomado quantas vezes quiser. Ao clicar em parar os dados serão salvos para sincronização. Embora os sistemas sejam dependentes para o seu funcionamento, cada um possui um diagrama de classes diferente. Há 5 classes para o aplicativo desktop, porém no aplicativo do dispositivo Android, não existem as amostras pois são específicas do outro aplicativo e a classe de delimitação do terreno foi adicionada com os atributos e propriedades da delimitação. Segue na figura 26 o diagrama de classes do APSYS-MOBILE.

54 50 Figura 26 Diagrama de classes do APSYS-MOBILE Finalizando a especificação dos softwares tem-se o diagrama de sequência que unifica os sistemas e também indica a ordem que as atividades ocorrem para realizar as sincronizações. Na sequência demonstrada na figura 27, para o primeiro passo, o usuário pode somente cadastrar as Lavouras no desktop. No dispositivo portátil, ele seleciona a sincronização das lavouras cadastradas no servidor iniciando assim o processo de sincronização entre os sistemas. A função de sincronização de dados das colheitas não é disponibilizada para o usuário antes que ocorra a delimitação do terreno.

55 51 Figura 27 - Diagrama de sequência dos sistemas Apsys 3.6 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO A comunicação entre o cliente e o servidor é realizada via socket. A aplicação do dispositivo Android, desenvolvido em Java, se comunica com a aplicação do servidor, que por sua vez foi desenvolvido em C#. A arquitetura utilizada para o módulo de sincronização realiza a transferência das informações que foram coletadas e armazenadas no dispositivo para a base de dados do servidor, servindo também para a sincronização de novas lavouras do servidor para o dispositivo. A arquitetura representada na figura 28 é a de conexão Bluetooth no momento da colheita. Embora um pouco complexa no início o fluxograma da conexão tenta garantir ao máximo a troca de dados entre o mobile e os sensores. A principal ideia é que ao usuário solicitar a conexão do mobile para os sensores a conexão não se perca, ficando transparente ao usuário a tentativa de reconexão. Ao conectar os sensores é necessário que o mobile envie um comando para que os

56 52 sensores comecem a mandar as leituras, sendo que eles podem ser pausados e retomados a qualquer momento. As caixas do fluxograma abaixo que possuem um contorno colorido representam as mensagens trocadas entre os dispositivos. Figura 28 - Fluxograma de conexão Bluetooth Ao entrar no modo colheita o usuário solicita a conexão Bluetooth. Tentativas de conexão serão feitas enquanto o dispositivo móvel não conectar com os sensores. Depois de conectado serão enviados ao microcontrolador o Tempo de captura e o número dos sensores. Configurado, o microcontrolador espera o usuário iniciar o monitoramento da colheita. Quando houver o clique em Iniciar no dispositivo móvel a mensagem START será enviada ao microcontrolador e os dados são enviados conforme o tempo configurado. Enquanto o dispositivo móvel não receber um caractere de final de linha \n ele incrementa o texto. Recebido esse caractere ele trata a mensagem, guardando os dados e atualizando a tela para o usuário no dispositivo móvel. Se o usuário clicar em Pausar, a mensagem STOPS é enviada ao microcontrolador e este para de enviar o valor dos sensores e aguarda novamente a mensagem START. Caso a conexão caia no meio de uma transmissão, será feita a tentativa de reconexão e as últimas configurações feitas, não necessitando o usuário refazê-la.

57 53 4 RESULTADOS A comprovação do funcionamento do sistema foi realizada através da avaliação para determinar se o sistema atende as necessidades dos usuários, estando ao alcance financeiro de pequenos empreendedores. Tal avaliação possui características resultantes de um estudo de viabilidade técnico-econômica. 4.1 VALIDAÇÃO Tratores série 8R da John Deere, possuem o sistema AutoTrac que auxilia o operador na condução das operações agrícolas. Esses tratores são equipados com Piloto Automático SF2 e com monitor GreenStar. O monitor GS2 GreenStar 2600 é um computador de bordo que facilita as operações de direcionamento via satélite, mapeamento a documentação de campo. O GS2 é um display com tela colorida, touch screen e possibilita a configuração de múltiplas telas sendo mostradas ao mesmo tempo ao operador, inclusive o talhão em operação. O valor de um trator agrícola equipado com este sistema pode chegar a mais de R$ ,00 (BRASIL, Trator. Trator John Deere 8430). Tabela 2- Custos do Projeto Descrição Qtde Custo Unitário Total Dispositivo com Android 1 R$ 800,00 R$ 800,00 Computador Servidor 1 R$ 2.000,00 R$ 2.000,00 Ultrassom de Distância Pic Atmel Avr Arduino 1 R$ 100,00 R$ 100,00 Módulo Bluetooth Mate Gold 1 R$ 157,00 R$ 157,00 Arduino Mega R$ 150,00 R$ 150,00 Bateria Recarregável 7.4V 1 R$ 20,00 R$ 20,00 Carregador para as Baterias 1 R$ 16,00 R$ 16,00 TOTAL: R$ 3.243,00 Considerando o valor principal do produto similar no exterior, pode-se verificar que o custo de projeto está extremamente abaixo do custo de uma única unidade do concorrente, considerando que o produto não depende de tratores e colheitadeiras especiais. Isto torna o projeto altamente viável economicamente além, é claro, das grandes vantagens mercadológicas de um produto deste fabricado de maneira singular e no Brasil. O valor de um produto semelhante deixa bem claro o porquê

58 54 deste equipamento ser pouco, ou quase nada, utilizado por fazendeiros e produtores de pequeno porte. Com relação à viabilidade técnica do projeto, pode-se considerar possível a sua construção, considerando que ele é basicamente a união de diversos módulos que já possuem o seu funcionamento comprovado. A novidade do projeto é, realmente, a aplicação de tais tecnologias para os fins mencionados. Após a implementação do software desktop e os dados de delimitação do terreno sincronizadas do MOBILE com o servidor, pode-se ter uma amostra final de como ficará a tela de detalhes da lavoura. A tela a seguir exibe os dados cadastrados da lavoura e o mapa delimitado com a cor amarela. Esse mesmo mapa é utilizado posteriormente para plotar os dados do mapa de produção. Figura 29 Tela de Detalhes da Lavoura Para que o mapa de produção seja visualizado, o processo de cultivo precisa ter seu ciclo finalizado. A figura 29 acima exibe a lavoura com o mapa delimitado e após o processo de cadastro de amostras, delimitação de rota e os dados da colheita coletados e repassados ao servidor, é possível gerar o mapa de produção. Este mapa é o ponto mais atraente de todo o sistema visto que nele se dá os resultados de todo o ciclo e mostra ao produtor onde é o foco de maior ou menor produtividade. Para distinguir os maiores e menores pontos de produção, utilizou uma escala de cores, onde azul é o menos produtivo e vermelho o mais.

59 55 Figura 30 Tela do Mapa de Produção Os pontos inseridos no mapa da figura 30 correspondem aos dados adquiridos pelo dispositivo móvel no momento da colheita. O cálculo de maior ou menor produção é baseado na leitura dos sensores juntamente com a coordenada GPS. 4.2 TESTES Para verificar o projeto proposto foram simulados quatro cenários diferentes. Em cenários de teste de desempenho, se fez necessário o uso de dados fictícios para forçar o sistema a operar com uma quantidade de dados acima do esperado. Para os dispositivos portáteis foram usados um celular HTC Magic (encontrado no endereço eletrônico da HTC) com processador Qualcomm MSM7200A de 528 MHz, bateria com capacidade de 1340 mah, display LCD de 3.2 polegadas e sistema operacional Android 2.1 e um Tablet Motorola XOOM MZ640 (retirado do endereço eletrônico da MOTOROLA) com processador Cortex-A9 Dual Core de 1GHz, bateria com capacidade de 3250 mah, display LCD de 10.1 e sistema operacional Android 3.2. O servidor foi instalado em computadores do tipo Desktop da linha Positivo com processador Pentium Dual-Core com 4 GB de memória RAM e notebooks Sony Vaio com processador intel CORE i7 com 4 e 6 GB de memória

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