SISTEMA EMBARCADO BASEADO EM HARDWARE LIVRE COM UTILI- ZAÇÃO DE COMPUTAÇÃO NAS NUVENS APLICADO NO MONITORA- MENTO DE AMBIENTES

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1 SISTEMA EMBARCADO BASEADO EM HARDWARE LIVRE COM UTILI- ZAÇÃO DE COMPUTAÇÃO NAS NUVENS APLICADO NO MONITORA- MENTO DE AMBIENTES Thalis Antunes de Souza* Acadêmico do Curso de Engenharia da Computação da Faculdade de Ciência e Tecnologia de Montes Claros FACIT Felipe Túlio de Castro Acadêmico do Curso de Engenharia da Computação da Faculdade de Ciência e Tecnologia de Montes Claros FACIT Davidson Geraldo de Sousa Maria Acadêmico do Curso de Engenharia da Computação da Faculdade de Ciência e Tecnologia de Montes Claros FACIT Maurílio José Inácio João Carneiro Netto Heveraldo Rodrigues de Oliveira Renato Dourado Maia *thalis@thalisantunes.com.br Resumo: Quando começamos a observar atentamente o ambiente ao nosso redor, é possível enxergar o mundo de um ponto de vista diferente. Partindo desse principio, pode-se afirmar que no campo agrícola acontece o mesmo e, quando nós temos conhecimento mais aprofundado dele, é possível otimizar o trabalho do agricultor e gerar conteúdo técnico para pesquisadores de órgãos ambientais. Esse artigo propõe um modelo de monitoramento de ambientes utilizando algumas tecnologias e serviços computacionais que, integrados, podem contribuir com a aquisição de informações do ambiente em que o sistema estiver localizado. A combinação da tecnologia embarcada de hardware livre com o serviço de armazenamento de dados baseado na nuvem pode tornar-se poderosa aliada no estudo da Natureza. Palavras-chave: Computação nas nuvens. Hardware Livre. Sistema embarcado. Monitoramento de ambientes. 1. Introdução A aplicação da tecnologia de automação vem crescendo nos processos do campo agrícola, o que faz com que eles se tornem mais produtivos, desde que uma boa estratégia de gerenciamento seja utilizada. Com acrescente demanda por tecnologia na agricultura, especialmente no contexto do processo de irrigação, os sistemas passam a demandar ferramentas rápidas e de fácil utilização para gerenciar as informações. Tendo em vista que a manipulação de um campo agrícola consome tempo considerável, é válido otimizar a utilização desse, promovendo conforto, ganho de tempo e confiabilidade dos dados. De acordo com Cruz (2009), uma das melhores formas para se obter boas ava-

2 liações sobre as condições do solo é por meio da utilização de um sistema de aquisição de dados. Seguindo essa ideia, hoje existem várias pesquisas com o intuito de utilizar a tecnologia a fim de maximizar a produção de alimentos, minimizando a área plantada e a degradação do meio ambiente, bem como o consumo de energia. A tecnologia é uma ótima ferramenta para essa gestão de recursos, tendo como base principalmente sensores que permitam converter dados correspondentes a grandezas analógicas para o formato digital. O objetivo desse trabalho é propor um modelo de sistema de aquisição de dados e monitoramento do ambiente utilizando algumas tecnologias computacionais que facilitem o registro e o armazenamento de dados. Para isto foi desenvolvida uma estrutura composta de um gateway, responsável pela aquisição dos dados fornecidos pelos sensores e pela comunicação com o servidor na nuvem, onde os dados são armazenados para análise posterior, conforme Figura Metodologia O projeto consiste em duas etapas principais: a montagem do hardware livre e o desenvolvimento da forma de conexão entre o hardware e o serviço de computação baseado na nuvem. 2.1 Módulo central de controle O módulo central de controle, apresentado na Figura 2, é responsável por converter os dados analógicos coletados pelos sensores em dados digitais que, por sua vez, vão ser tratados e utilizados para o acionamento dos atuadores: válvulas e motores. Para que haja comunicação via Internet, esse módulo possui um componente Ethernet que é responsável pela comunicação utilizando os protocolos TCP/IP (do inglês Transmission Control Protocol / Internet Protocol) que são utilizados na transferência de dados pela Internet. Esse módulo é composto basicamente por um microcontrolador, uma interface Ethernet, uma interface de rádio frequência (RF), conexão para fonte de alimentação e bateria externa. Figura 2: Módulo central de controle. Figura 1: Estrutura do projeto Microcontrolador O microcontrolador utilizado foi o ATMEGA328p da Atmel, um componente de altodesempenho e baixo consumo de energia. O

3 microcontrolador escolhido atende à necessidade de portas de entrada, saída e conversores analógicos digitais (A/D) para conexão dos sensores, atuadores e interfaces Ethernet e RF. A pinagem do processador pode ser observada nafigura 3. O ATMEGA328p tem como principais características: arquitetura Reduced Instruction Set Computer (RISC), conjunto de 131 instruções, tensão de alimentação entre 1,8 e 5,5V, temperatura de operação entre -40ºC e 80ºC, seis canais Pulse-Width Modulation (PWM), barramento de dados de 8 bits, frequência de 20MHz, memória do programa de até 32KB e memória dos dados de 2KB. Figura 3: Pinagem do microcontrolador ATMEGA328p. Fonte: doc8161.pdf Figura 4: Interface Ethernet WIZnet W5100. Fonte: Root/UpLoad_Files/ProductImgs/Dtl_ 1011_ jpg. 2.2 Sensor de umidade e temperatura do ar Foi utilizado como sensor de temperatura e umidade do ar o componente eletrônico RHT03 da marca Maxdêtect, como mostra a Figura 5, que tem como principais características a alimentação entre 3,3 e 6V, a capacidade de medição de temperaturas entre -40 e 80ºC com precisão de +/- 0,5ºC, a medição de umidade entre 5 e 99% com precisão de +/- 2% e um tempo de resposta entre 6 e 20 segundos. Este sensor envia os dados para o módulo central de controle através de dados digitais, não sendo necessária a conversão analógico-digital dos dados adquiridos Interface Ethernet A interface Ethernet utilizada é a W5100 da marca WIZnet, que tem como principais características a faixa de operação entre 3,3 e 5V, suporte de até 04 sockets simultâneos, compatibilidade com 10/100mbps de velocidade e suporte aos protocolos TCP/IP. O módulo Ethernet está apresentado na Figura 4. Figura 5: Sensor de umidade e temperatura do ar.

4 2.3Cosm API O serviço baseado na nuvem da Cosm, conhecido antigamente como Pachube, é um serviço para gerenciamento de dados de sensores. De acordo com Charalampos Doukas (2012) o serviço de cloud computing, ou computação na nuvem, da Cosm provê uma API leve para envio de dados diretamente dos sensores e um ambiente web que permite a visualização dos dados em forma de gráficos. Cosm é uma plataforma que fornece conexão entre produtos e dispositivos de modo a prover controle, bem como o armazenamento de dados. Ela funciona tendo como alicerce um conceito idealizado em meados de 1980 no Massachusetts Institute of Technology (MIT), chamado Internet das Coisas (do inglês Internet of Things) que, segundo o portal Inovação Tecnológica, representa a interação dos objetos físicos por intermédio de uma simples conexão com a Internet. 2.4 Montagem do circuito, configuração do serviço e programação do Arduino Dois terminais do sensor RHT03 (sensor de temperatura e umidade do ar), identificados como VCC e GND podem ser alimentados com tensão entre 3.3 e 6 Volts: logo, são ligados nos terminais de 5V e de GND (conhecido como terra ) do Arduino. O terceiro terminal fica encarregado de gerar as informações de temperatura e umidade, onde foi conectado na entrada A0 do Arduino, conforme Figura 6. Figura 6: Conexão do sensor ao Arduino. Tendo o circuito pronto, é necessário configurar o ambiente web da Cosm para que os dados do sensor sejam capturados. Para tanto, basta acessar o site da Cosm e fornecer as informações básicas. Com o cadastro efetuado, deve-se ir à página My API Keys para criar uma chave de acesso e um número de feeds que permitirá fazer o upload dos dados, estes números são necessários quando for enviar os dados através do Arduino. Por fim, um código criado por Tom Igoe, Usman Haque e Joe Saavedra em 2010 e atualizado por Thalis Antunes em 2012, denominado de V2.ino, é carregado no Arduino para conectar o dispositivo com a versão 2.0 da API do Cosm. Com o código é possível criar instâncias que acessem e controlem o sensor e a comunicação com a API. 3. Resultados e Discussão As Figura 7 e Figura 8 apresentam a interface gráfica fornecida pelo site da Cosm que possibilita ao usuário visualizar, em forma de gráfico, as informações alimentadas pelo módulo Arduino. Os resultados apresentados nessas figuras foram obtidos em testes realizados

5 das 12 horas e 30 minutos do dia 18 de Agosto de 2012 até as 13 horas do dia 19 de Agosto de Figura 7: Gráfico de apresentação dos dados de temperatura do ar. Fonte: Figura 8: Gráfico de apresentação dos dados de umidade do ar. Fonte: Para a realização desses testes preliminares, a montagem do módulo central com os sensores e a conexão com a Internet foram realizadas em laboratório, com observação cuidadosa do ambiente em torno da construção e comunicação entre as tecnologias. Dentro desse ambiente, os resultados mostraram-se satisfatórios, apresentando uma boa estabilidade na conexão entre o dispositivo Arduino e o ambiente web da Cosm. A Figura 9 apresenta a janela de monitoramento da porta serial do ambiente de desenvolvimento do Arduino versão 1.0.1, onde podemos observar o recebimento dos valores da temperatura e da umidade adquiridos e tratados pelo Arduino através do sensor RHT03. A leitura e seu respectivo envio são feitos periodicamente a cada 20 segundos. Figura 9: Valores de temperatura e umidade do ar que foram encontrados pelo sensor periodicamente. O ambiente web, que faz o intermédio coma API do serviço na nuvem, possui ferramentas e recursos interessantes. Caso seja necessária mais flexibilidade no manuseio dos dados, eles são disponibilizados em três formatos: Javascript Object Notation (JSON), Extensible Markup Language (XML) e Comma-Separated Values (CSV), os quais podem ser utilizados como dados de entrada para um aplicativo. 4. Considerações Finais Este trabalho consistiu no desenvolvimento e integração de um sistema embarcado de hardware livre com conceitos e serviços de computação na nuvem. O resultado dessa integração foi aplicado no problema de monitoramento de ambientes. Com os resultados obtidos nos testes realizados, verificou-se que o sistema alcançou o desempenho esperado e demonstrou-se que a ideia é viável para entrar em uma nova fase de

6 testes em campo. Dessa forma, concluise que os objetivos do trabalho foram alcançados. Para a continuidade do projeto, propõe-se a realização de novos experimentos no sistema desenvolvido, colocando-o em um ambiente real e nãocontrolado. Utilizando os dados gerados por esses novos testes será possível comparar o desempenho desse modelo de sistema com os demais modelos existentes hoje para monitoramento de sensores. Agradecimentos Os autores agradecem primeiramente ao produtor rural Carlos Humberto Souza Mendes pelo seu apoio técnico e financeiro para o desenvolvimento do projeto. Também agradecemos aos colegas da Faculdade de Ciência e Tecnologia de Montes Claros e ao professor Júlio César Guedes Antunes, pela contribuição técnica no desenvolvimento deste trabalho. Referências Bibliográficas AGUIAR, Alexandra da Costa Pinto; et al. Introdução ao Desenvolvimento de Software Embarcado. In: SOUZA, Alberto Ferreira de; MEIRA, Wagner Jr.. Atualizações em informática Rio de Janeiro: Ed. PUC-Rio; Porto Alegre: Sociedade Brasileira de Computação, p. ÂNGULO DEL OTERO, Carlos; RO- BLES, Aurelio Muñoz; GARCIA, Jesus Pareja. Teoria e Prática de Eletrônica. São Paulo: Makron Books, p. CRUZ, Tadeu Macryne Lima. Estratégia de monitoramento e automação em sistemas de irrigação utilizando dispositivos de comunicação em redes de sensores sem fio. UFCE, f. Dissertação (Mestrado) Programa de Pós-graduação em Engenharia Agrícola, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, OLIVEIRA, A. S., Andrade, F. S. SIS- TEMAS EMBARCADOS: Hardware e Firmware na Prática. São Paulo: p. MARWEDEL, Peter. Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems.2a ed.. Dortmund: Springer, p. NETO, Antônio Cardoso. A irrigação e a drenagem de áreas rurais: uma visão geral. Tópicos básicos de irrigação 1º Fascículo. Disponível em:< ecimento/antoniocardosoneto/topicos_basic os_de_irrigacao_1ofasciculo.pdf> Acesso em: 28 mar NICOLOSI, Denys E. Campion; SAN- TOS, Robson Clayson. Microcontrolador PSoC: uma nova tecnologia, uma nova tendência. São Paulo: Editora Érica, p. PERES, Antônio Daniel Catunda. Módulo de Controle Aplicado à Automação Agrícola. Fortaleza: UFCE, p. Monografia Graduação em Engenharia Eletricista, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2011.

7 SILVA, José Alberto Francassi da; LAGO, Claudemir Lucio do. Módulo Eletrônico de Controle para Válvulas Solenóides. Química Nova, São Paulo, v. 25, n. 5, p., Setembro SILVA, Renato A. Programando microcontroladores PIC: Linguagem C. São Paulo: Ensino Profissional, p. SOUZA, David José de. Desbravando o PIC: ampliando e atualizado para PIC 16F628A. 6º ed. São Paulo: Editora Érica, SUZUKI, M. A.; HERNANDEZ, F. B. T. Automação de sistema de irrigação Disponível em: < > Acesso em: 10 abr REBOUÇAS NETO, Mario de Oliveira. Rede de sensores sem fio aplicado ao manejo da irrigação com diferentes frequências na cultura da melancia. Fortaleza: UFCE, f. Dissertação (Mestrado) Programa de Pósgraduação em Engenharia Agrícola, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, TOCCI, Ronald J.; LASKOWSKI, Lester P.. Microprocessadores e microcomputadores: Hardware e software, 2ª ed. Rio de Janeiro: Prentice- Hall, p. TOCCI, Ronald J.; WIDMER, Neal S.; MOSS, Gregory L.. Sistemas Digitais: princípios e aplicações. 10ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, p. TORRES, Gabriel. Redes de Computadores: Curso Completo. Rio de Janeiro: Axcel Books, p. GERTZ, Emily; JUSTO, Patrick Di. Real-time, Geo-Tagged Data Sharing with Pachube. In: Environmental Monitoring with Arduino, Califórnia: O Reilly Media, p.[63]-66. MARGOLIS, Michael. Ethernet and Networking. In: Arduino Cookbook, Califórnia: O Reilly Media, p.[451]-510. PREMEAUX, Emery; EVANS, Brian.Contributing to the Hive Mind. In: Arduino Projects to Save the World, Nova York: Apress, p.[134]-153. Equipe Cosm. Portal de serviços em monitoramento e armazenamento de dados baseado no conceito da Internet das Coisas. Disponível em: < Acesso em: 08 ago Abstract: When we start to observe carefully the environment around us, it is possible see the world from a different point of view. Based on this principle, one can say that in the agricultural field the same thing happens and, when we have a deep knowledge of this field, it is possible to optimize the work of the farmer and generate technical content for researchers of environmental agencies. This article proposes a model of monitoring environments using some computational technologies and services that, integrated, may contribute to the acquisition of information from the place where the system is located. The combination of open source hardware embedded technology with a data storage service based on the cloud may become a powerful ally in the study of Nature. Keywords: Cloud Computing. Open Hardware. Embedded Systems. Monitoring environments.