Sistema Embarcado Linux para Análise de Sensores de Temperatura DHT11 e LM35

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1 Sistema Embarcado Linux para Análise de Sensores de Temperatura DHT11 e LM35 Tiago A. F. Queiroz 1, Douglas L. Dias 1, Pedro H. M. Araújo 1, Renan P. Figueiredo 1, Sandro C. S. Jucá 1 ¹Área da Telemática Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará (IFCE) CEP Campus Maracanaú CE Brasil tiago.queiroz_2009@hotmail.com, {dldouglaslopes, hericsonaraujo2013, renanpdef, sandro.juca}@gmail.com Abstract. This paper describes a system for generating graphics on web page of a room temperature from two sensors: DTH11 and LM35. Connected to a Raspberry Pi, this Linux embedded system stores the data detected by the sensor in a SQLite database, it is soon generated a csv file, which is developed graphics. After this, a comparison is made between the sensors. Resumo. Este trabalho descreve um sistema para geração de gráficos em página web sobre temperatura de um ambiente a partir de dois sensores: DTH11 e LM35. Conectados a um Raspberry Pi, esse sistema Linux embarcado armazena os dados detectados pelo sensor em um banco de dados SQLite, logo é gerado um arquivo csv, o qual é desenvolvido os gráficos. Após isso, é feita uma comparação entre os sensores. 1. Introdução A necessidade de monitoramento da temperatura está presente em diversos ambientes, tanto em empresas como residências. A análise desse fator é importante para verificação de problemas que possam ocorrer em equipamentos que precisam dessas informações, pois a temperatura é um atributo que modifica o funcionamento, causando até mesmo a danificação dos mesmos. Para realizar a detecção da temperatura, são utilizados dois sensores térmicos: sensor LM35 e sensor DHT11. Os sensores elétricos de temperatura transformam a grandeza física de temperatura do ar em sinais elétricos em forma de tensão ou resistência elétrica [de Oliveira Júnior 2014]. O LM35 [Texas Instruments 2015] é conectado a uma placa microcontrolada PIC18F2550 [Microship 2009] por meio da comunicação serial e envia os dados a um Raspberry Pi (RPI), sistema embarcado Linux. O DTH11 [D-Robotics 2010] por ter um microcontrolador embutido é conectado somente ao RPI. Os programas dessa detecção foram desenvolvidos em linguagem C e para o armazenamento dos dados foi utilizado o banco de dados SQLite. Este relatório tem como objetivo facilitar o monitoramento da temperatura de ambientes, bem como a comparação dos valores obtidos em cada sensor. Para isso, é construído um gráfico em uma página web localizado no servidor Apache do RPI.

2 2. Descrição de componentes 2.1. Raspberry Pi Para o desenvolvimento do sistema de monitoramento de temperatura foi necessária a utilização de um microcomputador Raspberry Pi (RPI). Esse microcomputador foi desenvolvido com o propósito de ensinar programação às crianças [Foundation 2015], No entanto é possível usa-lo para desenvolver sistemas de monitoramento através da aquisição de dados, com baixo custo e com maior simplicidade, de forma a difundir o uso desses sistemas automatizados em pequenas empresas, ou mesmo no ambiente doméstico. Assim como em um computador pessoal, é necessário instalar um sistema operacional no RPI. Neste trabalho será utilizado a distribuição Linux Raspbian, que é uma variante do Debian otimizada para o conjunto de instruções do hardware do Raspberry Pi. O Raspbian é um Software Livre com mais de pacotes précompilados que podem ser facilmente instalados como um sistema embarcado Linux no Raspberry Pi [Raspbian 2015]. Encontram-se na literatura diversos trabalhos que utilizam o RPI na área de sistemas embarcados, para automatizar processos e serviços ou promover a educação, como pode ser verificado nas diversas pesquisas: Raspberry Pi e Experimentação Remota [Crotti 2013], Low-Cost Speaker and Language Recognition Systems Running on a Raspberry Pi [D Haro 2014], Desenvolvimento de Software de Controle para um Veículo Aquático Autônomo [Perez 2014], Music Beat Tracker Device [Mesquita 2014] Placa Microcontrolada SanUSB Através do sistema de desenvolvimento SanUSB que é uma ferramenta composta de software e hardware básico da família PIC18Fxx5x com interface USB, foi possível a realização do projeto. Esta ferramenta possibilita que a compilação, a gravação e a simulação real de um programa, como também a comunicação serial através da emulação de uma porta COM virtual, possam ser feitos de forma rápida e eficaz a partir do momento em que o microcontrolador esteja conectado diretamente a um computador via USB [Jucá 2009]. Os componentes básicos do circuito para gravação do PIC via porta USB são um microcontrolador PIC18F2550, um cristal de 20 MHz, dois capacitores de 22 pf, dois capacitores de 1 µf, um resistor de 2k2, 1 diodo, 1 led e 1 resistor de 390 Ω Sensor DHT11 O DHT11 é um sensor digital de temperatura e umidade que permite medir temperaturas de 0 a 50 Celsius com precisão de 2,0 C para mais ou para menos, e umidade na faixa de 20 a 90% com precisão de mais ou menos 5%. O sensor envia os dados para o microcontrolador utilizando apenas um pino, os outros dois são Vcc e GND, sendo que o terceiro pino não é utilizado [Blog FlipFlop 2015]. O sensor contém também uma interface analógica-digital, para que não seja necessária calibração ou conversão digital como acontece no caso de termistores.

3 Para montagem do circuito (Figura 1) foram utilizados os pinos 1 (VCC), 7 (GPIO4) e 6 (GND) do RPI ligados respectivamente ao pinos 1 (VCC), 2 (sinal) e 4 (GND) do sensor, entre os pinos 1 e 2 foi colocado um resistor de 10k ohm [Baume 2013]. O DHT11 utiliza a própria interface serial, que pode ser acessada através da biblioteca wiringpi em C. Figura 1. Circuito com o sensor DTH 11 conectado ao Raspberry Pi O firmware implementado em linguagem C e armazenado no Raspberry Pi recebe os dados do sensor DHT11 e guarda dentro de um vetor a parte decimal e inteira tanto da temperatura quanto da umidade, juntamente com um checksum para verificação da integridade dos dados. Posteriormente, os valores de temperatura e umidade são impressos e transmitidos pelo firmware Sensor LM35 O LM35 (Figura 2) é um sensor analógico que apresenta uma saída de tensão linear relativa à temperatura alimentado por uma tensão de 4-20Vdc e GND, tendo em sua saída um sinal de 10mV para cada Grau Celsius de temperatura. Ele possui uma faixa de medição de -55 a 150 Celsius com uma precisão de 0,5 C para mais ou para menos. Figura 2. Sensor LM35. Para a realização do circuito, foi utilizado uma placa SanUSB com o sensor LM35 conectada ao PIC18F2550. O sensor é composto por 3 pinos: VCC, GND e pino de se sinal analógico. A partir do último pino, os dados de tensão são enviados para o PIC da placa. O software foi implementado em C utilizando a ferramenta MPLABX com a biblioteca SanUSB. Após isso, o microcontrolador analisa as informações e converte o sinal de tensão do sensor para graus Celsius. Essa temperatura é transmitida pelo PIC ao Raspberry Pi por meio dos pinos de comunicação serial TX e RX como ilustrado no circuito da Figura 3.

4 Figura 3. Circuito de conexão entre a placa SanUSB e o Raspberry Pi 3. Banco de Dados Livre O armazenamento dos valores obtidos pelos sensores e data atual do sistema foi feito através do banco de dados SQLite (Figura 4). Ele é uma boa opção para sistemas embarcados Linux por ser fácil de instalar, livre e open source. Os bancos de dados são armazenados em um único arquivo que é possível se conectar diretamente a partir de seu código, sem a necessidade de um processo de servidor em execução. As bibliotecas são customizadas, ou seja, ocupa menos espaço no disco. Figura 4. Banco de Dados com interface do PhpLiteAdmin. O phpliteadmin é uma ferramenta front-end baseada em PHP para gerenciar e manipular bancos de dados com SQLite. O phpliteadmin consiste em um único arquivo de origem, phpliteadmin.php, que é armazenado em um diretório do servidor WEB e pode ser acessado pelo navegador. As operações disponíveis, conjunto de recursos, interface e experiência do usuário é comparável ao do phpmyadmin [Bitbucket 2015]. 4. Resultados Para integrar os resultados, foi criado um arquivo Shell Script que recebe as saídas dos programas do DHT11 e LM35, juntamente com a data e a hora atual do sistema. As informações são armazenadas no banco de dados, logo após é feita a busca do conteúdo existente e gravada em um arquivo csv (Figura 5). Para fazer a execução do script a cada minuto, foi utilizado o comando crontab -e, e adicionado a linha:

5 * * * * * cd /var/www/admin; /bin/bash temp.sh Figura 5. Arquivo csv. Com o armazenamento dos dados no arquivo csv foi possível gerar um gráfico utilizando a biblioteca javascript dygraphs. Foi instalado o servidor Apache no RPI, para hospedar a página Web. A página pode ser acessada pela rede local, onde é feito o monitoramento da temperatura. Ao analisar o gráfico com dados de umidade, em verde, temperatura do DHT11, em lilás, e temperatura do LM35, em azul (Figura 6), observa-se que o DHT11 possui uma estabilidade maior na medição térmica em relação ao LM35. Porém, o LM35 se comporta melhor com as variações térmicas, pois possui uma melhor precisão comparada ao do DHT11 e, além disso, o LM35 pode calcular temperaturas mais extremas, como temperaturas abaixo de 0 C. Figura 6. Gráfico gerado a partir dos dados obtidos pelos sensores.

6 5. Considerações finais Este relatório demonstrou a comparação das características e do funcionamento de dois sensores de temperatura: DHT11 e LM35. Os dois sensores tiveram resultados satisfatório, e podem ser utilizados em diversas aplicações. A partir dos resultados foi possível concluir que o sensor LM35 é um ótimo componente para aplicações que necessitem medir temperaturas mais extremas, como temperaturas negativas ou bastante elevadas. Já o DHT11 seria de muita utilidade em sistemas de medição da temperatura ambiente e umidade, como em uma sala ou laboratório. Referências Blog FlipFlop (2015), Monitorando Temperatura com DHT11 e Raspberry Pi, Acesso em 03/11/2015. D-Robotics (2010), Datasheet: DHT11, Acesso em 04/11/2015. Baume, C. (2013). BEER MONITORING WITH MY RASPBERRY PI, Acesso em 03/11/2015. Instruments, T. (2015), Datasheet: LM35, Acesso em 03/11/2015. Júnior, A. J. O., Vicentin, T. A., e da Cunha, A. R. (2014). Avaliação do sensor DHT11- medidas de temperatura e umidade relativa do ar. In III JORNACITEC. Foundation, R. P., Raspberry Pi. Disponível em: Acesso em 15/03/2015. Raspbian, Welcome to Raspbian, Acesso em 22/01/2015. Crotti, Y., Silva, J. B., Marcelino, R., Vilson, G. e Casagrande, L. C. S., (2013) Raspberry Pi e Experimentação Remota. Araranguá (SC). L. F. D Haro, R. de Córdoba, J. I. Rojo, J. Díez, D. Avendaño e J.M. Bermudo, (2014) Low-Cost Speaker and Language Recognition Systems Running on a Raspberry Pi IEEE Latin America Transactions, vol.12, no.4. Perez, T. D. Desenvolvimento de Software de Controle para um Veículo Aquático Autônomo. Monografia (Curso de Engenharia Elétrica). Universidade de São Paulo, São Carlos (SP), Mesquita, M. (2014) Music Beat Tracker Device. Dissertação (Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores). Universidade do Porto. Microchip (2009), Datasheet: PIC18F2455/2550/4455/4550. Disponível em: Acesso em 01/11/2015. Bitbucket (2015), What is phpliteadmin?. Disponível em: Acesso em :09/11/2015.