UNIVERSIDADE ANHANGUERA UNIDERP PROGRAMA DE MESTRADO PROFISSIONAL EM PRODUÇÃO E GESTÃO AGROINDUSTRIAL

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1 UNIVERSIDADE ANHANGUERA UNIDERP PROGRAMA DE MESTRADO PROFISSIONAL EM PRODUÇÃO E GESTÃO AGROINDUSTRIAL JIYAN YARI DESENVOLVIMENTO DE MINIPLATAFORMA DE COLETA DE DADOS METEOROLÓGICOS PARA PEQUENOS PRODUTORES RURAIS UTILIZANDO AS TECNOLOGIAS LIVRES ARDUINO E ANDROID CAMPO GRANDE - MS 2013

2 JIYAN YARI DESENVOLVIMENTO DE MINIPLATAFORMA DE COLETA DE DADOS METEOROLÓGICOS PARA PEQUENOS PRODUTORES UTILIZANDO AS TECNOLOGIAS LIVRES ARDUINO E ANDROID Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em nível de Mestrado Profissional em Produção e Gestão Agroindustrial da Universidade Anhanguera - Uniderp, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Produção e Gestão Agroindustrial. Comitê de Orientação: Prof. Dr. Celso Correia de Souza Prof. Dr. José Antônio Maior Bono CAMPO GRANDE MS 2013

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5 DEDICO Dedico este trabalho com todo amor e respeito a Deus por ter proporcionado tudo que tenho em minha vida e muito especialmente aos meus pais por terem, a vida toda, me estimulado e motivado a estudar e a deixar um legado positivo à humanidade, por terem criado em mim a percepção de humanidade e de cidadania e ensinado que o trabalho, o sacrifício, a honestidade, a integridade e a bondade é que forjam um ser humano. ii

6 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus, meus queridos e amados pais, que sacrificaram suas vidas para tudo me darem e tudo me ensinarem, Ghassem Yari e Manijeh Astani, meus amados irmãos Zargham Yari e Sarvin Yari, meus avôs paternos (Setare Yari e Rahim Yari in memorian) e maternos (Rohanieh Say Oskui e Nematollá Astani - in memorian), minha sogra Maria José Pires (Dona Dedé), que por vezes cuidou de meus filhos com todo o seu amor e carinho, meu sogro Sr. Ademar do Prado, minha querida e amada esposa, minha fonte de inspiração e minha força, Alexandra, meus amados filhos pelos quais tenho verdadeira paixão e minha razão de viver, Jiyanzinho e Laryssa, os quais muitas vezes tive de sacrificar com a minha ausência neste período de mestrado (que recompensarei em dobro) e aos queridos amigos do curso de mestrado com os quais tive momentos de convivência inesquecíveis, com muitas noites de estudos, viagens e alegrias compartilhadas em sala de aula e finalmente a nossa secretária do mestrado Alinne Freitas Signorelli, que ajudou a todos neste período de nosso curso da melhor forma que pôde, aos professores do mestrado Denise Renata Pedrino, Francisco de Assis Rolim Pereira, Guilherme Cunha Malafaia, Juliane Ludwig, Marcos Barbosa Ferreira, Ivo Martins Souza (in memorian), Edison Rubens Arrabal Arias, Fernando Paim Costa, meu co-orientador José Antonio Maior Bono e meu orientador, Celso Correia Souza, os quais agradeço profundamente pela paciência, humanidade e profissionalismo com a qual me trataram; e às bandas Led Zepellin, AC/DC, Iron Maiden, Def Leppard, Pantera, Scorpions, Metallica, Gun s and Roses e outras bandas de rock que me ajudaram nas noites em claro que passei codando, testando sensores e módulos e escrevendo a dissertação. iii

7 SUMÁRIO LISTA DE SÍMBOLOS, ABREVIATURAS E NOMENCLATURAS... vi LISTA DE QUADROS... ix LISTA DE FIGURAS... x 1. INTRODUÇÃO GERAL REVISÃO GERAL DE LITERATURA Agricultura de precisão Dados agrometeorológicos Planejamento agropecuário e tomada de decisões Plataforma de Coleta de Dados (PCD) Tecnologia de prototipagem Arduino Hardware Arduino Ambiente de programação Processing Sensor de temperatura e umidade DHT Sensor de pressão e altitude BMP Registro de tempo Armazenamento de dados Baterias Placa solar Plataforma Android Ambiente de programação Eclipse REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARTIGO RESUMO ABSTRACT INTRODUÇÃO MATERIAL E MÉTODOS Material Métodos Implementação do projeto Testes no Arduino Sensores e módulo iv

8 Protótipo Aplicação Android RESULTADOS E DISCUSSÃO CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS v

9 LISTA DE SÍMBOLOS, ABREVIATURAS E NOMENCLATURAS AC/DC: Alternate Current/Direct Current (Corrente Alternada/Corrente Contínua) ADT: Android Developer Tools (Ferramentas de Desenvolvimento Android) API: Application Programming Interface (Interface de Programação de Aplicativos) app: abreviatura de application (aplicativo para dispositivos móveis) Arduino Robot: placa Arduino utilizado para criar robôs AREF: Analog Reference (Referência Analógica) AREF: Analog Reference (Referência Analógica) ATmega: família de microprocessadores criado pela empresa americana Atmel Corporation AVD: Android Virtual Device (Dispostivo Virtual Android) AVR: Advanced Virtual RISC (RISC Virtual Avançado) CISC: Complex Instruction Set Computer (Computador com Conjunto Complexo de Instruções) clock: relógio, temporizador CPU: Central Processing Unit (Unidade Central de Processamento) DAS: DAta Serial (Dado Serial) DCS: Development Community Support (Suporte à Desenvolvimento Comunitário) ddp: diferença de potencial debugger: software utilizado para testar e depurar outros programas ED: Ecosystem Development (Ecossistema de Desenvolvimento) EEPROM: Electrically Earesable Programmable Read Only Memory (Memória Somente de Leitura Eletronicamente Apagável) EOC: End Of Convertion (Fim de Conversão) Saída Digital FTDI: Future Technology Devices International (Tecnologia Internacional para Dispositivos Futuros) GNU/Linux: sistema operacional livre criado em 1991 por Linus Torvalds GPS: Sistema de Posicionamento Global HIGH: alto/aceso hightech: alta-tecnologia I 2 C: Inter-Integrated Circuit (Integração Entre Circuitos) IBM: International Business Machines (Máquinas de Negócios Internacional) vi

10 IDE: Integrated Development Environment (Ambiente Integrado de Desenvolvimento) IPM: Intellectual Property Management (Gestão da Prorpiedade Intelectual) ISCP: In-Circuit Serial Programming (Programação de Circuito em Série) ITI: Information Technology Infraestructure (Infrestrutura de Tecnologia da Informação) LCD: Liquid Cristal Diod (Diodo Cristal Líquido) LED: Light Emiting Diod (Diodo Emissor de Luz) LilyPad: placa Arduino para uso em peças têxteis/roupas Li-ion: Lithium-ion Lítio-íon LOW: baixo/desligado MISO: Master In Slave Out (Entrada Mestre Saída Escravo) MOSI: Master Out Slave In (Saída Mestre Entrada Escravo) notebook: computador de mão OHA: Open Handset Aliance (Aliança de Telefonia Aberta) PCD: Plataforma de Coleta de Dados PIC: Programmable Interface Controller (Controlador de Interface Programável) PWM: Pulse-Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso) RAM: Random Access Memory (Memória de Acesso Aleatório) RISC: Reduced Instruction Set Computer (Computador com Conjunto Reduzido de Instruções) RX: Receiver (Receptor) SCD: Sistema de Coleta de Dados SCK: Serial Clock (Relógio Serial) SCL: Serial Clock (Relógio Serial) SD Card: Secure Digital Card (Cartão Digital Seguro) SDA: Serial DAta (Dado Serial) SDCS: Shield Data Chip Select (Módulo de Dados de Seleção de Chip) SDK: Software Development Kit (Pacote de Desenvolvimento de Software) Smartphone: telefone celular com recursos computacionais SPI: Serial Periheral Interface (Periférico de Interface Serial) SWT: The Standard Widget Toolkit (Ferramenta Padrão de Dispositivo) Tablet: dispositivos computacional com tela sensível ao toque vii

11 Touch-screen: tela sensível ao toque TTL: Transistor-Transistor Logic (Lógica Transistor-Transistor) TX: Trasmiter (Transmissor) UCP: Unidade Central de Processamento upload: envio de dados USB: Universal Serial Bus (Interface Serial Universal) VANT: Veículos Aéreos Não Tripulados VIN: Voltage IN (Entrada de Voltagem) XCLR: Extra Clear (Limpador/Inicializador Extra) Entrada Digital viii

12 LISTA DE QUADROS QUADRO 1. Versões do Arduino e as suas principais características QUADRO 2. Dados do hardware do Arduino Uno QUADRO 3. Participação do android no mercado de smartphones em QUADRO 4. Custo dos componentes e softwares utilizados no protótipo QUADRO 5. Valor total calculado com redução ix

13 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Plataforma de Coleta de Dados (PCD) típica em Figura 2. Mapa de PCD instaladas no Brasil em Figura 3. PCD instalados em Mato Grosso do Sul em Figura 4. Visão anterior e posterior da Placa Arduino Uno Figura 5. Placa Arduino e seus principais componentes Figura 6. Tela principal de programação do Processing Figura 7. Sensor DHT22 e a especificação de seus pinos, em Figura 8. Sensor de barométrico BMP085 e especificação de pinos Figura 9. Módulo de Cartão SD Figura 10. Baterias usadas de telefone celular ligadas em série Figura 11. Placa solar e suas voltagens correspondentes Figura 12. Gráfico de participação do Android no mercado de Tablets Figura 13. SDK e AVD na barra de atalhos do Eclipse Figura 14. Esquema de ligação do DHT22 ao Arduino Figura 15. Protótipo ligando o sensor DHT22 ao Arduino Figura 16. Esquema de ligação do sensor BMP085 ao Arduino Figura 17. Protótipo ligando o sensor BMP085 diretamente ao Arduino Figura 18. Interligação das conexões do Módulo de Cartão SD Figura 19. Protótipo da miniplataforma com o módulo de cartão de memória.. 39 Figura 20. Protótipo de miniplataforma com todos os seus componentes Figura 21. Saída serial dos dados coletados pelo sensor DHT Figura 22. Saída serial dos dados coletados pelo sensor BMP Figura 23. Saída serial do código de temporização de hora e data Figura 24. Saída serial do código do Módulo Cartão SD Figura 25. Saída do código final da miniplataforma Figura 26. Baterias ligadas em série e sua voltagem correspondente Figura 27. Protótipo montando em funcionamento Figura 28. Protótipo com o Led indicador de energia aceso Figura 29. Miniplataforma acomodado na caixa hermética Figura 30. Tela do Eclipse, a aplicação no emulador AVD e o seu layout Figura 31. Smartphone fazendo leitura dos dados da miniplataforma x

14 Figura 32. Tablet fazendo leitura dos dados da miniplataforma Figura 33. Planilha comparativa entre dados do equipamento certificado e da miniplataforma Figura 34. Gráfico de linhas comparativo das temperaturas medidas Figura 35. Gráfico de linhas comparativo das pressões medidas Figura 36. Gráfico de linhas comparativo das umidades medidas Figura 37. Gráfico de erro quadrático médio das temperaturas coletadas Figura 38. Gráfico de erro quadrático médio das umidades coletadas Figura 39. Gráfico de erro quadrático médio das pressões coletadas xi

15 1. INTRODUÇÃO GERAL A importância da agricultura de precisão tem sido cada vez maior no aumento e na qualidade da produção, pois permite e possibilita que todos os passos dessa atividade sejam planejados, baseados em dados previamente coletados ou calculados com uma predição extremamente alta. Soluções tecnológicas têm sido desenvolvidas e incorporadas à produtividade em empresas rurais cada vez em ritmo mais acelerado, já que não basta apenas produzir, mas com a atual demanda mundial a eficiência produtiva tem justificado o uso mais crescente da tecnologia no campo. A agricultura de precisão está baseada na coleta de dados para análise prévia e tomada de decisão posterior, o que justifica o seu uso e, praticamente, torna-se obrigatório para a obtenção de resultados cada vez melhores, de forma que novas soluções devem ser mais acessíveis e inovadoras para poder atingir a todos, principalmente, àqueles que não dispõem de recursos para custear os altos preços no uso de tecnologias mais modernas. Dentro deste contexto está o conhecimento prévio dos ciclos naturais que interferem diretamente na produção como a temperatura, a pressão e a umidade, que possibilitam desde a escolha da forma como será preparado o plantio, o tipo de variedade a se escolher e a colheita, por exemplo. Assim, a observação empírica e imprecisa de dados meteorológicos cede lugar à coleta metódica e disciplinada que permite a formatação desses dados, para que a interpretação possa ser concluída de forma bastante rápida, fácil e eficaz. Miniplataformas meteorológicas podem ser construídas por alunos do Ensino Fundamental e Médio, com extrema simplicidade e baixíssimo custo, comparados às Plataformas de Coleta de Dados (PCD) profissionais, porém, têm

16 2 o inconveniente de não serem robustas, com leituras analógicas dos equipamentos e não conectadas entre si, por serem feitas artesanalmente e com baixo nível tecnológico. Em contrapartida, as grandes plataformas de coleta de dados conseguem coletar dados meteorológicos de regiões com extensão territorial mais vasta, no entanto, com o inconveniente de não disponibilizarem dados pontuais e de também não estarem acessíveis a toda a gama de produtores, como os de subsistência e familiares. A construção de miniplataformas meteorológicas sobre uma plataforma pequena e robusta, com os instrumentos interconectados, funcionando digitalmente, e disponibilizados a partir de uma saída que facilite a leitura online, individualmente, permitindo, ao mesmo tempo, que se possa armazenar em bancos de dados próprios, tem como intenção a obtenção e coleta de dados agrometeorológicos com muito mais precisão com relação às PCD, pois os realizam as coletas de forma localizada. Com isso, agricultores e pecuaristas de todas as categorias, com um custo acessível, teriam informações locais sobre o clima, facilitando o manejo de lavouras e animais com recursos tecnológicos satisfatórios. Pretende-se, neste trabalho, tanto na coleta quanto na disponibilização dos dados meteorológicos, agregar os recursos de tecnologias avançadas e livres para o desenvolvimento de um protótipo de uma miniplataforma de coleta de dados agrometeorológicos, que são o hardware para prototipagem Arduino e a plataforma para dispositivos móveis Android. Assim, o objetivo geral desta pesquisa foi construir uma miniplataforma de coleta de dados agrometeorológicos, de baixo custo, utilizando as tecnologias livres Arduino e Android. Desta forma os objetivos específicos compreenderam: - conhecer o contexto histórico que problematizou a necessidade da construção de alternativas para a agricultura de precisão; - compreender as tecnologias que foram adotadas, tanto com relação ao uso adequado do hardware e software; - estudar códigos envolvidos para o seu devido funcionamento, agregado ao conhecimento de técnicas de programação para a formatação dos dados de saída;

17 3 - realizar consultas aos Data Sheet (manuais técnicos), livros especializados e sites dos respectivos fabricantes (listados na bibliografia) do equipamento e dos sensores que foram utilizados no experimento e no seu desenvolvimento; - descrever a modelagem do protótipo da miniplataforma, a confecção e a programação; - realizar testes para observar o funcionamento do protótipo; - apresentar planilha de custos do protótipo da miniplataforma; - apresentar planilha sobre as limitações do protótipo como a autonomia de baterias, alcance, etc.

18 4 2. REVISÃO GERAL DE LITERATURA 2.1. Agricultura de precisão O conceito de Agricultura de Precisão surgiu com os experimentos de uniformidade (uniformity trials) a cidade de Rothamsted, na Grã-Bretanha, por volta de 1925, e também, com os estudos do nível de acidez do solo em 1929, na Universidade de Ilinois, nos Estados Unidos. No entanto, o desenvolvimento maior tem ocorrido nos últimos anos e vem ao encontro com o desenvolvimento tecnológico para o setor, principalmente, no que tange à produção de grãos, como uso de Sistema de Posicionamento Global - GPS (Global Positioning System), monitoramento na produtividade de grãos, uso de geoestatística e banco de dados georeferenciados, assim como, o monitoramento por Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) (MACHADO, 2004). Os recentes desenvolvimentos e adoção dos conceitos para prática de manejo na agricultura de precisão têm implicado em mudanças fundamentais no processo de tomada de decisão quanto ao uso das tecnologias agrícolas geoespaciais e de informação. Assim, exemplo como o uso racional de insumos preservação e rastreamento de produtos agrícolas tem demonstrado possibilidades reais de ganhos econômicos, como também, de benefícios ambientais, e também, a possibilidade de análise de venda da produção no período mais viável Dados agrometeorológicos Elementos como tempo e clima afetam diretamente o crescimento e o desenvolvimento das culturas sobre diferentes formas e nas diversas fases do

19 5 seu ciclo de crescimento podendo ocasionar prejuízos na sua produção, portanto, os dados de temperatura e umidade relativa do ar têm extremas importâncias no clima de determinada região, interferindo diretamente no rendimento das culturas, tornando o estudo dessas variáveis relevante no planejamento das atividades agrícolas (TERRA et al., 2011). Nas diferentes regiões do mundo, a cada ano que passa, as características do clima não se apresentam mais como as anteriores, assim, invernos quentes com fortes incidências de eventos extremos de frio e períodos de estiagem mais prolongados são alguns exemplos de alterações climáticas que tem causado grandes impactos (CAMARGO et al., 2006). Dessa forma o clima afeta não só o crescimento, o desenvolvimento e produtividade, mas também, a relação dos microrganismos, fungos, bactérias e insetos com as plantas, beneficiando ou não o surgimento de pragas e doenças que, consequentemente, demandam de medidas específicas no seu controle, sendo que, ainda, muitas práticas na propriedade rural, tais como, o preparo do solo, semeadura, adubação, irrigação, pulverização e colheita, entre outras práticas, dependem exclusivamente das condições climáticas para que possam surtir o efeito desejado e eficiente (MAVI e TUPPER, 2004). Mavi e Tupper (2004) comentam que as principais variáveis meteorológicas que afetam o crescimento, o desenvolvimento e a produtividade são a temperatura, a chuva e a radiação solar, sendo que, há ainda a influência do fotoperíodo (duração do dia), umidade relativa do ar e do solo, da velocidade e direção do vento. A agrometeorologia estuda a influência do tempo e do clima na produção e tem papel fundamental e estratégico na compreensão e na resolução dos problemas enfrentados na agropecuária Planejamento agropecuário e tomada de decisões O planejamento agrícola refere-se às ações relativas ao passo anterior ao cultivo, momento em que se inicia a programação do empreendimento agrícola. Dessa forma, tem-se que o planejamento baseia-se nas informações advindas do clima e de suas variabilidades no local em que se pretende realizar o cultivo. O zoneamento agroclimático trata das informações agrometeorológicas de

20 6 cada região, as quais determinam a aptidão climática da localização geográfica do cultivo, sendo estas diferentes de área para área (MONTEIRO, 2009). Dessa forma Monteiro (2009) descreve tomada de decisões como a formatação das informações coletadas, ou seja, são as ações tomadas com base na avaliação das informações disponíveis, portanto, a possibilidade de decidir entre as várias opções alternativas que levam a determinando resultado. Assim sendo, as condições meteorológicas em um sistema de produção agropecuário apresentam-se como fatores externos que influenciam no crescimento, no desenvolvimento e na produtividade das plantas e animais, sendo que durante o seu ciclo de vida respondem diretamente às condições meteorológicas, que são formados por uma soma de fatores que podem causar os efeitos dos mais favoráveis até os mais desfavoráveis à produtividade, portanto, a agrometeorologia tem por função colocar os conhecimentos da meteorologia à disposição da agricultura e da pecuária com a meta de se obter a maior e melhor produtividade da forma mais sustentável e com o menor risco econômico possível (MONTEIRO, 2009) Plataforma de Coleta de Dados (PCD) Segundo o INEMA (2012), PCD é um dispositivo que dispõe de sensores eletrônicos capazes de medir diversas variáveis climáticas como precipitação, pressão atmosférica, radiação solar, luminosidade, temperatura, umidade, direção e velocidade do vento. Normalmente, estes aparelhos são instalados de modo a cobrir grandes extensões do território monitorado para análise de dados macroclimáticos. São estações que coletam, armazenam e transmitem, com comunicação via satélite, dados meteorológicos. A criação das PCD foi motivada devido à necessidade de se obter regularmente dados ambientais, coletados, geralmente, de lugares remotos ou por uma região muito grande (Figura 1).

21 7 Figura 1. Plataforma de Coleta de Dados Meteorológicos Fonte: INPE (2013). Nesse contexto, pode-se entender que miniplataformas de coleta de dados meteorológicos são conjuntos de dispositivos eletrônicos com capacidade de cobertura territorial menor e com quantidade de sensores também menores, como por exemplo, temperatura, pressão e umidade, para coleta de dados microclimáticos de uma microregião, permitindo, assim, o registro de informações localizadas e individualizadas de uma determinada faixa do setor produtivo, configurando uma situação de agricultura de precisão. O Sistema de Coleta de Dados (SCD) é formado pelo conjunto de satélites SCD1, SCD2 e CBERS3 (coleta de imagens para monitoramento), pelas diversas redes de PCD espalhadas pelo território nacional, pelas Estações de Recepção de Cuiabá e de Alcântara e pelo Centro de Missão Coleta de Dados. Neste sistema os satélites funcionam como retransmissores de dados, em que a comunicação entre cada PCD e as estações de recepção é estabelecida. A Figura 2 ilustra o mapa dos PCD instaladas no Brasil em 2013 (INEMA, 2012).

22 8 Figura 2. Mapa das PCD instaladas no Brasil em 2013 Fonte: INPE (2013). Grosso do Sul em A Figura 3 apresenta o mapa das PCD instaladas no Estado de Mato Figura 3. PCD instaladas no Estado de Mato Grosso do Sul em 2013 Fonte: INPE (2013).

23 Tecnologia de prototipagem Arduino O primeiro Arduino foi criado em janeiro de 2005, baseado em circuito básico com um microcontrolador AVR Atmega8, criado pela empresa americana Atmel Corporation, no Instituto de Interatividade e Design da Escola de Artes Visuais, em Ivrea, na Itália. Surgiu a partir de uma ideia dos professores de Computação Física David Cuartielles e Massimo Banzi e que tinha como objetivo criar uma ferramenta de hardware que fosse facilmente utilizável e programável por pessoas não técnicas e especialistas em computação, e que não fosse cara, para o desenvolvimento de estruturas interativas no curso de Arte e Design (SILVEIRA, 2013). Banzi (2011) descreve Arduino como uma plataforma de computação física de fonte aberta, com base em uma interface simples de entrada/saída (input/output), agregada a um ambiente de desenvolvimento conhecido como Processing, podendo ser utilizado para desenvolver projetos interativos independentes ou conectado a softwares no computador (como o Flash, Processing, etc.), sendo que as suas placas podem ser montadas manualmente ou compradas já pré-montadas. O Arduino foi criado para o ensino de Design (desenho) de Interação, subárea do design que tem a prototipagem como centro de sua metodologia, que segundo o autor tem como definição: Design de Interação é o projeto de qualquer experiência interativa e que: No mundo atual, o Design de Interação preocupa-se com a criação de experiências significativas entre nós (humanos) e objetos (BANZI, 2011). McRoberts (2011) cita que o Arduino foi criado sob as licenças Open Source que possibilita que muitos projetistas de hardware criem versões e/ou clones próprios, entre os quais alguns são: Freeduino, Roboduino, entre outros, sendo que a única ressalva que os criadores fazem é que não se use o nome Arduino. Assim, o Arduino é um pequeno computador que se pode programar para processar entradas e saídas entre a placa e os componentes externos conectados a ele, ou seja, é uma plataforma de computação física ou embarcada, um sistema que interage com seu ambiente utilizando-se de hardware e software. A evolução da microeletrônica, devido à miniaturização constante dos circuitos integrados e o aumento do número de suas funcionalidades,

24 10 conforme afirmam Lima e Villaça (2012), foi a responsável pelo desenvolvimento de circuitos eletrônicos cada vez mais compactos e programáveis, portanto, um microprocessador pode ser conceituado como um circuito integrado composto por portas lógicas organizadas de forma que seja possível efetuar aritméticas lógicas e digitais. A seguir estão listadas as vantagens e desvantagem do Arduino com relação a outras tecnologias semelhantes. Vantagens: - se trata de um ambiente multiplataforma, podendo ser executado nos principais Sistemas Operacionais como: Windows, Macintosh e Linux; - tem por base o Processing: ambiente de desenvolvimento fácil de ser utilizado por qualquer pessoa não especialista em computação; - pode ser programado utilizando-se a conexão USB do computador, sem a necessidade de uma porta serial; - serem hardware e software de fontes abertas, permitindo-se criar o próprio Arduino, sem ter de pagar nada aos seus criadores; - ter custo baixo, cerca de R$ 40 (quarenta reais em dezembro de 2013); - possuir comunidades ativas com muitos programadores e projetistas pelo mundo que disponibilizam seus códigos e projetos de forma livre; - ter sido desenvolvido para ambiente educacional, sendo ideal para iniciantes para obtenção de resultados rápidos. Desvantagem: - alguns componentes acopláveis (shields) produzidos por fabricantes únicos podem ter custo maior, portanto, encarecendo os projetos que as usam Hardware Arduino Segundo Silveira (2013), o Arduino é constituído por uma CPU (Central Processing Unit Unidade Central de Processamento) que, por sua vez, é formada por uma ALU (Arithmetic Logic Unit - Unidade Lógica e Aritmética) e um conjunto de registradores de uso geral, sendo que o seu bloco de memórias agrega as memórias de programa e memória de dados, e em seu bloco de

25 11 Entrada/Saída (E/S) estão as ports (portas), que são circuitos de interfaces de entrada e saída. As características físicas do Arduino Uno são (ARDUINO UNO, 2012): - 14 pinos de entrada e saída digitais, dos quais 6 podem ser usados como saídas PWM (Pulse-Width Modulation - Modulação por Largura de Pulso), utilizadas para controlar o valor da alimentação entregue à carga; - 6 entradas analógicas; - 1 oscilador de cristal de 16 Mhz; - 1 conexão USB; - 1 conector para alimentação de energia; - 1 conector ISCP (In-Circuit Serial Programming Programação de Circuito em Série) para programação do dispositivo através de interface serial e; - 1 botão de reset (reinicialização). QUADRO 1. Versões do Arduino e as suas principais características Arduino Diecimila Duemilanove168 Duemilanove328 Mega Processador ATmega8 ATmega168 ATmega328 ATmega1280 Memória flash 8 K 16 K 32 K 128 K Memória RAM 1 K 1 K 2 K 8 K Memória 512 bytes 512 bytes 1 K 4 K EEPROM Pinos digitais Pinos analógicos Saídas PWM Fonte: SILVEIRA (2013, p.28). Este conjunto é suficiente para o funcionamento do microcontrolador, bastando ligá-lo a um computador através de um cabo USB ou conectá-lo a um adaptador AC/DC (Alternate Current/Direct Current - Corrente Alternada/Corrente Contínua) ou ainda a bateria ou pilhas. O Arduino Uno é diferente de todas as versões anteriores por não usar o FTDI (Future Technology

26 12 Devices International - Tecnologia Internacional para Dispositivos Futuros), cabo para conectar placas antigas em computadores novos com entrada USB (Universal Serial Bus Interface Serial Universal), mas sim a tecnologia Atmega8U2 programada, como um conversor USB para serial, que permite a ligação direta entra placa-computador via cabo USB. O Quadro 2 apresenta os dados do hardware do Arduino Uno (ARDUINO UNO, 2012). QUADRO 2. Dados do hardware do Arduino Uno Microcontrolador Atmega328 Voltagem de operação 5V Voltagem de entrada (recomendado) 7-12V Voltagem de entrada (limite) 6-20V Pinos E/S analógicos 14 (dos quais 6 fornecem saída PWM) Pinos de entrada analogical 6 Corrente DC por pino de E/S 40 ma Corrente DC para pino de 3.3V 50 ma 32 KB (Atmega328) dos quais 0.5 KB usados Memória do tipo Flash para o bootloader (gerenciador de inicialização) Memória do tipo SRAM 2 KB (Atmega328) Memória do tipo EEPROM 1 KB (Atmega328) Velocidade temporizador (clock) 16 MHz Fonte: ARDUINO (2013). As Figuras 4 e 5 apresentam a interface frontal e posterior do Arduino Uno e os seus principais componentes, que serão detalhados mais a frente.

27 13 Figura 4. Visão anterior e posterior da Placa Arduino Uno Fonte: Arduino Uno (2012). Figura 5. Placa Arduino e seus principais componentes Fonte: Vivaolinux (2012). A descrição dos pinos de alimentação da placa tem as seguites características (ARDUINO UNO, 2012): - VIN - Voltage IN (Entrada de Voltagem): entrada de tensão da placa Arduino que quando utilizada uma fonte externa de energia, caso não utilizando conexão USB ou fonte de alimentação regulada (que fornece 5 Volts). Utilizado para fornecer tensão através desse pino, ou, se o fornecimento de tensão for realizado através do conector de alimentação, que também pode ser através deste pino; - 5 V : a fonte de alimentação regulada usada para alimentar a placa e outros componentes ligadas a ela, que pode vir do pino VIN através de um regulador na placa ou ser fornecido pelo USB ou outra fonte regulada de 5V; V : fonte de 3,3 volts gerado pelo regulador da placa, tendo como corrente máxima 50 ma (mili Ampére);

28 14 - GND : pino terra (neutro). As funções específicas de cada pino estão descritas a seguir: - Série 0 (RX) e 1 (TX): utilizados para receber (RX) e transmitir (TX) dados seriais TTL (Transistor-Transistor Logic Lógica Transistor-Transistor) e são conectados aos pinos correspondentes do chip Atmega8U2 USB-para-TTL serial; - Interruptores externos 2 e 3: podem ser configurados para disparar uma interrupção por um valor baixo, uma margem crescente ou decrescente, ou uma alteração no valor, por exemplo utilizando-se a função attachinterrupt() no código de programação; - PWM 3, 5, 6, 9, 10 e 11: proporciona saída PWM (Pulse-With Modulation Modulação por Largura de Pulso) de 8 bits utilizando a função analogwrite(); - SPI (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) 10: pinos que suportam comunicação SPI (Serial Periheral Interface Periférico de Interface Serial), usando a biblioteca SPI5; - LED 13: LED embutido conectado ao pino digital 13, que indica quando pino está em HIGH (Led ligado) e quando o pino está em LOW (Led desligado); O Arduino Uno conta com 6 entradas analógicas, nominados de A0 a A5, possuindo cada um 10 bits de resolução, que por padrão medem o negativo e o terra até 5 volts, embora seja possível alterar o valor superior de sua faixa de uso com o pino AREF (Analog Reference Referência Analógica) e a função analogreference() (ARDUINO UNO, 2012). A seguir, descreve-se a função específica dos pinos especializados: - I 2 C - A4 (SDA Serial DAta Dado Serial): que transmite e recebe dados digitais e A5 (SCL Serial Clock Relógio Serial), que recebe o sinal de clock para sincronismo da placa: ambos são responsáveis por dar suporte a comunicação I 2 C (Inter-Integrated Circuit - Integração Entre Circuitos), usado para conectar periféricos de baixa velocidade a uma placa, utilizando-se a biblioteca Wire (ARDUINO, 2013); Existe outro par de pinos na placa: - AREF: voltagem referência para as entradas analógicas (somente de 0 a 5V), utilizada com a biblioteca de programação analogreference();

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