Sistema de baixo custo para termometria de grãos com servidor WEB embarcado

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1 Sistema de baixo custo para termometria de grãos com servidor WEB embarcado Marcelo Ferrasa 1, Thiago Ives Mayer 2 1,2 Departamento de Informática Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG) Caixa Postal Ponta Grossa PR Brasil Abstract. This paper presents a low cost system prototype applied to thermometry of grains, using technology based on Embedded Internet, more specifically on a Web server embedded. His goal was focused on serving the small grains producers that does not have sufficient financial resources to purchase silos with thermometry system. For this purpose, the system was constructed to communicate with other devices with Internet connection and a Web browser, using communication via radio frequency. The prototype was composed of two electronic units, one for the data acquisition and another for data reception. The electronics components used and the communication system between electronic units, contributed to developed a low cost system, and also allowed the mobility for the small producer in the monitoring of stored grain, serving as a stimulus to perform the storage of the crop on the farm, addition to providing better commercialization of the product in the market. Also, was noted the ease of access to data from temperature monitoring that can be accessed anywhere, anytime, without the need to be near the silo, just having, for example, a cell phone with Internet access. Resumo. Este artigo apresenta um protótipo de sistema aplicado à termometria de grãos de baixo custo, que utiliza tecnologia baseada em Internet embarcada, mais especificamente em um servidor Web embarcado. Seu objetivo esteve centrado, em atender aos pequenos produtores rurais de grãos que não dispõem de recursos financeiros suficientes para aquisição de silos acoplados com sistema de termometria. Para tanto, o sistema foi construído de maneira a se comunicar com outros dispositivos com conexão a Internet e um navegador Web, utilizando comunicação via radiofrequência. O protótipo foi composto por duas unidades eletrônicas, uma de aquisição e outra de recepção de dados. Os componentes eletrônicos e o sistema de comunicação utilizado entre as unidades, revelou o baixo custo do sistema, que além de permitir a mobilidade para o produtor no monitoramento da massa de grãos, serve de estímulo para realizar o armazenamento da safra na própria fazenda, como também, em ter melhores condições de comercialização do produto no mercado. Destaca-se ainda, a facilidade de acesso aos dados do monitoramento de temperatura que podem ser consultados em qualquer lugar, a qualquer hora, sem a necessidade de estar próximo ao silo, bastando, por exemplo, possuir um celular com acesso a Internet.

2 1. Introdução A inserção de dispositivos de computação inteligentes no cotidiano é um fato inquestionável. Termos como inteligência ambiental e computação ubíqua ou onipresente descrevem a tendência de incorporação de técnicas de processamento de informações no trabalho e lazer das pessoas de forma transparente e eficaz. Neste contexto, surge o termo agricultura inteligente que se refere a atividade de servir os seres humanos e seu meio ambiente simultaneamente. O uso inteligente e transparente dos dispositivos de computação pode ser altamente benéfico para maximizar a produção agrícola de qualquer cultura, e manter práticas agrícolas sustentáveis e eco-amigáveis (ZACHARIADIS e KASKALIS 2012). Segundo Duan (2011), a Internet pode ser vista como um meio para reduzir as disparidades de renda entre as populações urbanas e rurais no mundo em desenvolvimento. Especialmente, com o desenvolvimento de tecnologia da informação (TI), um grande número de aplicações baseadas em TI surgiram ao redor do mundo que prometem reduzir o fosso digital que existe entre o meio rural e os centros urbanos. Neste aspecto, Ferrasa (2008) afirma que além do plantio e da colheita, a secagem e o armazenamento dos grãos, também são etapas do processo produtivo, onde o emprego da tecnologia tem contribuído para melhorar a conservação e a manutenção da qualidade dos grãos. Além desses benefícios, a tecnologia também pode oferecer meios ao pequeno produtor rural para monitorar as condições do armazenamento de grãos colhidos até o momento comercialização sem perder sua qualidade nutritiva. Ainda, para Oliveira (2010), o armazenamento na fazenda pode ter grande influência no aumento da rentabilidade do produtor rural. Segundo dados da Companhia Nacional de Abastecimento Brasileria (CONAB), em 2006 estimava-se que, no Brasil, apenas 15% dos armazéns e silos encontravam-se nas fazendas, enquanto nos Estados Unidos, Argentina e Europa esse número é de 65%, 40% e 50% respectivamente. Segundo Oliveira (2010, apud DEVILLA, 2004) é de grande importância que o produtor rural armazene sua safra na fazenda para minimizar perdas quantitativas e qualitativas que, dependendo da região, pode atingir 30% da safra, ocasionadas pelo ataque de pragas, à falta de conhecimento técnico e instalações armazenadoras inadequadas. Seguindo tais linhas de pensamento e tendências atuais, o presente artigo propõe o desenvolvimento de um sistema (protótipo) de baixo custo para monitoramento da temperatura de grãos armazenados (termometria) em silos metálicos, empregando a tecnologia de Servidor Web embarcado ou Internet embarcada e comunicação RF (radiofrequência), tornando possível o monitoramento dos dados de termometria por meio de um navegador Web na Internet. 2. Materiais e Métodos O sistema foi composto por duas unidades principais, sendo a unidade aquisitora e transmissora de dados, como também a unidade receptora e servidora que disponibilizou os dados de temperatura na Internet. Na Figura 1 é ilustrado o sistema de maneira abrangente. A comunicação entre as unidades é realizada através de um protocolo simples trafegando em uma onda portadora de RF, fornecendo assim uma mobilidade para que a

3 unidade receptora possa ser acomodada em um local próximo, onde haja um ponto de conexão com a Internet. Figura 1. Visão geral do sistema de termometria com Servidor Web embarcado. Para que o servidor Web pudesse responder as requisições do protocolo Internet HTTP (Hyper Text Transfer Protocol), foi necessária a criação de uma página Web armazenada em um dispositivo de memória na unidade de recepção, para que fosse lida pelo microcontrolador e enviada à Internet toda vez que ocorresse a chegada de uma nova requisição para consulta dos dados. Para minimizar os possíveis erros os últimos quatro bytes da mensagem transportam um código (CRC) responsável pela detecção de erros durante a transmissão, causados por ruídos em canais de transmissão. 2.1 Unidade de aquisição e transmissão de dados Para aquisição e transmissão dos dados de temperatura da massa de grãos, foi utilizada a unidade aquisitora e transmissora dos dados desenvolvida em Ferrasa (2008), mostrada na Figura 2. Esta unidade eletrônica tem como uma de suas funções a aquisição dos sinais analógicos de temperatura enviados pelos sensores de silício LM35, espalhados em pontos estratégicos no interior de um silo. Além disso, a unidade eletrônica converte o sinal analógico para digital e o transmite por RF à unidade receptora. No sistema original, a unidade receptora tinha a finalidade de receber os dados e fazer o envio pela porta serial a um software no computador. Essa unidade receptora foi substituída por outra unidade que, da mesma forma irá receber esses dados, porém agora será capaz de encaminhar esses dados a um servidor Web para consultá-los na Internet. Figura 2. Unidade de aquisição e transmissão via RF (Ferrasa, 2008).

4 2.2 Unidade de recepção de dados com Servidor Web embarcado Para chegar a unidade de recepção de dados foi utilizado um microcontrolador PIC 18F4520, um controlador Ethernet ENC28J60, um módulo Ethernet IEEE 802.3, um receptor de RF, um Display LCD (display de cristal líquido) de 20 colunas e 4 linhas e um decodificador MC para que a unidade receba os dados de temperatura da unidade aquisitora e disponibilize tais dados como um servidor Web embarcado. Para a recepção dos dados, empregou um receptor de modelo compatível com o componente utilizado no transmissor e um decodificador compatível com o codificador do protótipo desenvolvido em Ferrasa (2008). A unidade é apresentada na Figura 3. Figura 3. Unidade de recepção de dados e servidor Web. O endereço Ethernet MAC (Medium Access Control) desta unidade foi armazenado na memória do microcontrolador, declarada na programação como uma constante, e anexado ao pacote sempre que se fez necessário. Já o endereço IP (Internet Protocol) da unidade, endereço IP do gateway, endereço IP do servidor DNS (Domain Name System) e o valor da máscara de sub-rede foram armazenados em variáveis na memória do microcontrolador, que puderam receber sempre o mesmo valor configurado no código de programação do microcontrolador ou fizeram uma requisição enviando um pacote de broadcast na rede para obtenção destes endereços sempre que iniciaram a conexão, utilizando para isso o protocolo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) ou protocolo de configuração dinâmica de endereços de rede. Para este fim, foi necessário um servidor DHCP conectado na mesma rede local, que respondeu com os endereços de IP sempre que recebeu uma requisição. Outros dispositivos conectados na rede simplesmente ignoraram este pacote recebido por broadcast. O código em linguagem HTML (Hyper Text Markup Language) da página Web foi gravado na memória do microcontrolador, que possui uma quantidade de armazenamento bastante limitada para esse tipo de aplicação. 3. Resultados e Discussão A página Web hospedada no servidor Web, serviu para apresentar os valores a qualquer cliente que solicitasse conexão, isto é, qualquer dispositivo que possua conexão com a Internet e um navegador Web. Nela, apenas algumas informações gerenciais foram executadas, como a média de temperatura dos sensores e a verificação de cada sensor com a finalidade de saber se ele está passando um valor coerente. A

5 média de temperatura é calculada apenas para os sensores válidos. A Figura 5 mostra a interface de um dispositivo-cliente com a página Web do sistema via navegador Mozilla Firefox. Figura 5. Página Web exibida no navegador. Em resumo foram executadas as seguintes etapas de trabalho com relação ao servidor Web embarcado no teste do microcontrolador: a interface do microcontrolador com o display LCD, a interface do microcontrolador com o receptor de RF, a interface do microcontrolador com o controlador Ethernet, a interface do microcontrolador com o relógio RTC, a criação da página Web, simulações do projeto eletrônico, a gravação do código compilado e as adaptações de hardware e software para que tudo funcionasse ao mesmo tempo e com o mesmo microcontrolador Custos do Sistema (Protótipo) Afirma-se que o sistema desenvolvido (protótipo) foi caracterizado como uma tecnologia de baixo custo com práticas que aliam custo/benefício, onde se destaca três aspectos relevantes como: os baixos investimentos em componentes eletrônicos; a comunicação via rádio que se mostrou satisfatória, como comprovado em Ferrasa (2008); e por fim o custo do desenvolvimento software para o funcionamento do programa computacional. Abaixo segue a tabela com os custos do protótipo para consumidor. Tabela 1. Custo do sistema (protótipo) de termometria Quantidade Descrição Modelo Preço Observações 1 Microcontrolador PIC18F4550 R$20, Módulo controlador Ethernet + RJ45 ENC28J60 R$50,00 CI controlador ethernet/ componentes 1 Transmissor RF Telecontrolli TX-RT4 R$8, Receptor RF Telecontrolli RX-RR3 R$8, Codificador MC R$4, Decodificador MC R$4, Display LCD 20x4 HD44780 R$35, Relógio RTC DS1307 R$4, h Desenvolvimento Programador R$ 2000,00 Web 200 h Desenv. Firmware Programador R$ 3000, Unidade Eletrônica Figura 2. Ferrasa (2008) R$ 1500,00 Microcontrolador, 16 sensores de temperatura, codificador, transmissor, multiplexador e programação do Microcontrolador

6 Sistemas similares já estão disponíveis no mercado. Contudo, o protótipo desenvolvido se caracteriza pelo seu baixo custo, pois para sua confecção foi utilizado meios eletrônicos de fácil manuseio e manutenção. 4. Conclusão O sistema desenvolvido forneceu condições para que qualquer dispositivo eletrônico se conecte em uma rede e troque informações. Considerando-se as funcionalidades e o custo do desenvolvimento, em larga escala, do protótipo de termometria com servidor Web embarcado, é viável o seu emprego em pequenas propriedades rurais, pois conseguiu suprir uma necessidade de forma simples e abrangente. Nos testes realizados, percebeu-se que o protótipo atendeu todos os objetivos propostos. Também se destaca a facilidade de manuseio e a mobilidade, sendo possível o acesso dos dados de qualquer lugar onde haja a conexão com a Internet. Isso o credencia como um grande aliado em qualquer situação onde o monitoramento de sensores seja necessário. Os testes de hardware e de software foram efetuados a cada nova etapa do processo de desenvolvimento, pois o envio e recebimento dos pacotes pela rede Ethernet eram sinalizados pelos LEDs conectados ao PIC, juntamente com a verificação direta no display LCD. Além disso, como o tráfego de dados é muito baixo, considerando-se os produtos de conexão com a Internet atuais encontrados no mercado, como os roteadores e modems ADSL (Assimetric Digital Subscriber Line), pode-se dizer que a velocidade do link (10 Mbps) para este sistema possui uma velocidade acima do necessário. 5. Referências Zachariadis S. and Kaskalis T. H. (2012) An Embedded System for Smart Vineyard Agriculture, March. Duan Y. (2011). Research on Integrated Information Platform of Agricultural Supply Chain Management Based on Internet of Things, Beijing University of Agriculture Computer and Information Engineering College, Beijing, China, Journal of Software, vol. 6, no. 5, p , May. Ferrasa M. (2008). Sistema de monitoramento de temperatura e umidade em silos graneleiros via rádio. Tese de doutorado. Faculdade de Ciências Agronômicas. Universidade Estadual Paulista. Botucatu. São Paulo. Oliveira W. et al. (2010). Capacidade dinâmica de armazenagem de grãos a granel na mesorregião de itapetininga-sp, Revista Sapere, vol. 2, no. 1, junho.

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