Sistema de Localização de Colmeias

Transcrição

1 Sistema de Localização de Colmeias André Reis Rodrigues a19129 Trabalho realizado sob a orientação de Prof. Pedro João Rodrigues Engenharia Informática 2012/2013

2

3 Sistema de Localização de Colmeias Relatório da UC de Projeto Licenciatura em Engenharia Informática Escola Superior de Tecnologia e de Gestão André Rodrigues 2012/2013 iii

4 A Escola Superior de Tecnologia e Gestão não se responsabiliza pelas opiniões expressas neste relatório. iv

5 Certifico que li este relatório e que na minha opinião, é adequado no seu conteúdo e forma como demonstrador do trabalho desenvolvido no âmbito da UC de Projeto. Pedro João Rodrigues - Orientador Certifico que li este relatório e que na minha opinião, é adequado no seu conteúdo e forma como demonstrador do trabalho desenvolvido no âmbito da UC de Projeto. - Arguente Aceite para avaliação da UC de Projeto v

6 vi

7 Dedicatória Aos meus Pais por todo o apoio e suporte que me deram ao longo ao desenvolvimento deste projeto, pois foram muitos os fins de semana que tiveram que ficar sem me ver para este projeto existir. vii

8 viii

9 Agradecimentos Agradeço a toda a equipa, professores, amigos e familiares pela ajuda, pois são muitos para enumerar neste agradecimento. Ao meu orientador de projeto, professor e amigo Pedro João Rodrigues pela oportunidade, apoio e disponibilidade dada, ao longo das aulas da sua cadeira, apresentações na universidade, e é claro, ao longo deste projeto, que se revelou um verdadeiro desafio em varias áreas de desenvolvimento. A minha namorada e aos meus amigos mais chegados pela disponibilidade com que sempre me apoiaram, ajudaram e me felicitaram pelo bom trabalho. ESTiG IPB; FNAP; ix

10 x

11 Resumo Nos últimos anos assiste-se a uma forte procura de equipamentos para evitar ou dissuadir as pessoas a praticarem furtos aos mais diversos níveis de bens materiais que os cidadãos possuem. Perante isto foi lançado o desafio da criação de um dispositivo que realizasse o acompanhamento de um produto suscetível a roubo, neste caso a uma colmeia, utilizando meios de tracking e comunicação tais como GPS e GSM para auxiliar a recuperação deste bem em caso de roubo. Neste relatório define-se tecnologicamente e demonstra-se um sistema que corresponde ao produto pretendido por quem necessite desta solução. Palavras-chave: - Roubo; - GPS; - GSM; - Tracking; xi

12 xii

13 Abstract In recent years there has been a strong demand for equipment to prevent or discourage people to practice swipes at various levels of material goods that citizens have. Given that launched the challenge of creating a device that perform monitoring of a product susceptible to theft, in this case a hive, using means of tracking and communication such as GSM and GPS to aid the recovery of this asset in case of theft. In this report is defined technologically shows a system which corresponds to the desired product by whom this solution requires. Keywords: - Roubo; - GPS; - GSM; - Tracking; xiii

14 xiv

15 Conteúdo 1 Introdução Enquadramento do Problema Funções da solução Baterias / Autonomia Comunicação Controlo Remoto Sistema de Alarme Custo Base de Dados Organização do documento Tecnologias usadas e ferramentas de desenvolvimento MBED GPS GSM Acelerómetro ALTIUM RFID Base de Dados Gestão de Colmeias por RFID Descrição Base de Dados Sistema Antirroubo de Colmeias Descrição Hardware NXP LPC11U SIM Cartão SIM MMA8452Q LOOP Anti-roubo Buzzer Comando Remoto Baterias Hardware descontinuado xv

16 5 - Resultados e Implementação Testes de campo Conclusões A Anexos - Localizador... 1 A.1 PCB... 1 A.2 - Esquemático... 1 xvi

17 Lista de Figuras Ilustração 1 - Principio do Acelerómetro Ilustração 2 - Esquemático Transístor Ilustração 3 - Footprint Transístor Ilustração 4 - Local do transístor na PCB Ilustração 5 - Exemplo Transpoder RFID para as colmeias Ilustração 6 - Leitor RFID USB Ilustração 7 - Leitor RFID dedicado Ilustração 8 - Relação da Base de Dados Ilustração 9 - Diagrama do software Ilustração 10 - Relação Hardware Ilustração 11 - LPC11U Ilustração 12 - Esquemático NXP LPC11U Ilustração 13 - Footprint NXP LPC11U Ilustração 14 - SIM Ilustração 15 - Cartão SIM Ilustração 16 - Acelerómetro MMA8452Q Ilustração 17 - Circuito fechado Ilustração 18 - Circuito Aberto - Alarme disparado Ilustração 19 - Buzzer Ilustração 20 - String do comando Ilustração 21 - Exemplo de baterias do tipo AA Ilustração 22 - TK Ilustração 23 - Os 3 eixos de movimento Ilustração 24 - PCB... 1 Ilustração 25 - Esquematico... 1 xvii

18 xviii

19 Lista de Abreviações µc MicroControlador ARM Advanced RISC Machine ASAE Autoridade de Segurança Alimentar e Económica BD Base de Dados CLK Clock EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory GND Ground GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile Communications GUI Graphical User Interface I/O Input/Output ID Identification IMEI Internacional Mobile Equipment Identity PC Personal Computer PCB Printed Circuit Board PIN Personal Identification Number RAM Random Access Memory RFID Radio-Frequency IDentification RISC Reduced Instruction Set Computer ROM Read Only Memory RST Reset SIM Subscriber Identity Module SMS Short Message Service TQFP Thin Quad Flat Package UC Unidade Curricular xix

20 xx

21 Capítulo 1 1 Introdução 1.1 Enquadramento do Problema Após se assistir a um fenómeno anormal de roubos de colmeias, pois estas cada vez mais possuem um valor comercial mais elevado, decidiu-se aproveitar o que é oferecido em termos tecnológicos e arranjar forma de tirar proveito dos mesmos, em prol da solução deste problema que afeta os apicultores. Estes roubos caracterizam-se pelo forma de que são realizados, em que os indivíduos que praticam o furto, costumam levar toda a colmeia para uma localização desconhecida e em raros casos levam apenas o conteúdo interno das colmeias. Neste segmento, existem segundo os apicultores, essencialmente dois tipos de roubo, um dos quais em que são furtadas todas as colmeias do apiário (conjunto de colmeias na mesma localização), ou o caso em que apenas é roubado o conteúdo das mesmas. Assim, em discussão com os apicultores, prevê-se que por vezes o alarme de acesso não autorizado seja suficiente no caso de roubo do conteúdo, e que no caso de roubo de todas as colmeias, não seja necessário ter um equipamento em todas as colmeias pois no meio de todas as que vão a probabilidade de ir um equipamento é alta. O problema aqui apresentado consiste na criação de um componente de localização a integrar numa colmeia e que não seja de fácil deteção por parte de quem furta a colmeia, mas que ao mesmo tempo seja de fácil acesso, e que possua fácil manutenção por parte do proprietário da colmeia. De forma a garantir a maior fiabilidade e desempenho do equipamento, e a difícil deteção em caso de furto, este deve ficar colocado o mais estrategicamente possível dentro da colmeia, de forma a conseguir um bom balanço entre desempenho e a sua dificuldade a ser detetado por terceiros. 1

22 O tamanho do equipamento é também um fator importante a considerar no estudo e desenvolvimento do equipamento pois as colmeias têm o seu espaço disponível bem aproveitado por parte dos apicultores e habitado por animais sensíveis a existência de elementos estranhos no seu habitat. O custo do equipamento é também um fator importante, pois se for muito elevado a aquisição do equipamento é descartada pois pode ser mais benéfico deixar roubar as colmeias do que comprar os equipamentos. Em termos tecnológicos há mais condicionantes na resolução deste problema que penalizam aquando da criação e desenvolvimento do equipamento, tais como a cobertura nacional de rede, localização, fatores climatéricos, entre outros, pois no meio rural nem em todos os locais existe uma cobertura ideal de todos os sinais necessários ao funcionamento do equipamento. Em termos do desenho da colmeia, existe uma cobertura em zinco que protege a colmeia da chuva, mas que pode ser um fator condicionante ao desenvolvimento da solução como será visto posteriormente. Durante o processo de desenvolvimento apareceram vários entraves em termos tecnológicos ao desenvolvimento do equipamento pois, ao longo do desenvolvimento varias condicionantes despertavam a atenção e tinham que ser contornadas. Ainda assim perante as várias adversidades que apareceram ao longo do desenvolvimento do equipamento, conseguiu-se obter um balanço final entre o custo/tamanho/funcionalidades. Assim sendo é apresentado um equipamento que corresponde ao problema apresentado, e ao qual é possível dentro de certos parâmetros adicionar mais funcionalidades Funções da solução No processo de desenvolvimento foi-se tentado obter o melhor desempenho atendendo as várias características e problemas existentes no meio ambiente no qual o equipamento final será instalado. Atendendo a essas questões optou-se por desenvolver uma solução que informa via SMS, o acesso não autorizado às colmeias, o tracking da colmeia desde o ponto de origem ao ponto de destino por SMS com localização de coordenadas GPS e o envio periódico para dar indicação do estado do equipamento. 2

23 O tamanho também é uma prioridade pois este equipamento terá que ser posicionando dentro da colmeia ou mesmo numa parede lateral da colmeia, o qual restringe as dimensões finais. Estas funções foram coordenadas e discutidas com proprietários de colmeias, pois são estes que necessitam dos equipamentos, e que melhor conhecem os locais onde o sistema irá ser implementado, e que logo se disponibilizaram a ceder uma colmeia completa sem abelhas para a realização de testes ao logo do desenvolvimento. Com esta articulação foi possível desenvolver um sistema atendendo aos requisitos por parte de quem necessita do equipamento. Foi através destes contatos com os apicultores que se decidiu como seriam certas abordagens à resolução do problema. Nos pontos seguintes serão mais detalhados os pontos principais da solução Baterias / Autonomia A autonomia do equipamento é um problema presente em todas as aplicações do género, pois o equipamento tem que possuir autonomia em Stand-by para vários meses, e quando em uso para vários dias. A sua substituição deve ser a mais facilitada e breve possível pois o apicultor pode ser proprietário de varias colmeias, e certamente não deseja despender muito do seu tempo a substituir baterias. Assim sendo o aparelho durante a maior parte do tempo irá estar num modo de Stand-by, e será apenas ativado quando um dos sistemas de alarme for acionado. Após um dos sistema de alarme ser desencadeado o localizador passa a estar ativo, mas não permanentemente, ou seja, no primeiro dia de um total de 24 horas, estará ligado quase na totalidade das horas, no segundo dia só já irá estar ligado metade do dia no 3º um quarto, de forma a garantir autonomia ao localizador mesmo depois de um alarme ser acionado. Ao fim de algum tempo de atividade mas sem novo alarme o localizador entra novamente num estado de Stand-by. 3

24 1.2.2 Comunicação O equipamento, uma vez instalado, deverá ser, como já foi descrito, o mais discreto possível. Para que tal aconteça não deverão existir muitos fios, ou nenhum se possível, pois é mais fácil detetar equipamentos que possuam fios nas suas ligações exteriores. Atendendo a este caso, a comunicação do equipamento baseia-se toda em redes sem fios, nomeadamente a sinais GSM, GPS, e noutras frequências (comando remoto 120kHz). Assim sendo, o envio de toda a informação a partir do equipamento para outro terminal é realizada por envio de SMS através de uma operadora de rede GSM. Para a sua localização o equipamento usa sinais GPS para obter a sua localização. Para existir a comunicação na rede GSM é necessário que no equipamento exista um cartão SIM de uma operadora de rede GSM para poder enviar as SMS com a localização e avisos de alarme. O sinal GPS serve para o localizador conhecer a sua localização e poder envia-la por SMS para o proprietário, para este conhecer a sua localização, ou em caso de roubo descobrir o seu paradeiro final Controlo Remoto Existe ainda comunicação sem fios entre o equipamento e um comando remoto para a desativação do localizador, ativação, e realização de teste à bateria e à rede operadora de GSM. Este controlo remoto é necessário para quando o proprietário desejar realizar a manutenção ao seu equipamento ou à colmeia. Antes de realizar qualquer intervenção deverá desativar o equipamento através do comando, caso contrário vai disparar o sistema de alarme de forma a dar um falso alarme. Apos a intervenção à colmeia, poderá reativar novamente o dispositivo através do seu comando, e testar o sistema de alarme para constatar que o sistema se encontra novamente ativo. Este controlo remoto será único por proprietário e funcionara apenas nos localizadores dos quais for proprietário, não funcionando em localizadores de terceiros. 4

25 1.2.4 Sistema de Alarme Após análise e decisão do estudo do equipamento decidiu-se implementar-se duas funções base para o equipamento, o alarme de acesso não autorizado à colmeia e ao tracking (seguimento) desta em caso de roubo para uma localização desconhecida, obedecendo sempre a melhor autonomia possível. Como descrito no ponto 1.1 existem 2 tipos de roubo, para os quais se desenvolveram 2 tipos de alarme mais específicos, prevendo também a diminuição de custos para com o utilizador. Assim, para os 2 casos de roubo é necessário no mínimo 1 equipamento por apiário, funcionando de maneira diferente em cada caso. No caso de roubo completo das colmeias de uma localização A para uma localização B, como são furtadas todas as colmeias, o equipamento vai ser ativado pelo movimento da colmeia e vai enviar a sua localização constante para um terminal, pois devido à natureza do furto todas as colmeias são roubadas incluído a que possui o equipamento (colmeia escolhida ao acaso para possuir o equipamento). Para o segundo caso de roubo em que apenas e roubado o seu conteúdo, o equipamento colocado aleatoriamente numa colmeia possui um mecanismo que deteta a quebra de um loop eletricamente condutor no caso de uma das outras colmeias ser movida do seu sítio, em que neste caso é dado o alarme de acesso não autorizado, não sendo possível fazer o seu tracking de um ponto A para um ponto B. Em suma apenas é possível fazer o tracking da colmeia de um ponto A para um ponto B caso seja furtada a colmeia que possuir o equipamento, no entanto é possível detetar acesso não autorizado as outras colmeias do mesmo apiário, mesmo que estas não tenham equipamento apenas têm a passagem do loop Custo O custo do localizador é um dos fatores mais importantes pois se for muito elevado, ultrapassa o valor da colmeia, deixando de ser uma solução que seja sustentável para os apicultores, sendo que ao mesmo tempo, muitos não possuem, ou não estão dispostos a um investimento inicial muito elevado. Assim sendo foi também meta do projeto garantir um custo mínimo possível para o equipamento. Apos o custo inicial com o localizador apenas é necessário garantir a manutenção em termos de baterias e com a operadora de comunicações. 5

26 Base de Dados Em paralelo ao desenvolvimento do equipamento desenvolveu-se um sistema de controlo com uma base de dados para registo das colmeias e dos seus proprietários. Esta base de dados pode permitir, em caso de roubo, identificar o proprietário da mesma, ou em caso de suspeita de falsificação. Nesta base de dados vai existir a relação entre os proprietários, apiários e as suas colmeias através de um sistema de identificação baseado em RFID, para em caso de suspeita se proceder a consulta do proprietário da colmeia em questão, e para registo de outro tipo de informações. Cada proprietário é ainda obrigado a manter um controlo detalhado de intervenções nas suas colmeias, que até ao momento é realizado em livros de papel, não havendo por isso um registo informático para consulta dessas informações a nível informático, ou seja o levantamento destas informações e todo manual (papel e caneta). Tirando proveito das novas tecnologias, esta base de dados pode ainda albergar este tipo de informação estando disponível para os apicultores e associações 24 horas por dia, resultado numa procura de informação mais rápida e consistente. Através deste sistema torna-se também mais prático para os apicultores facultarem a informação necessária as várias entidades de saúde pública ou inspeção, tais como a ASAE. 6

27 1.3 - Organização do documento O presente documento divide-se em 6 capítulos, entre os quais se explica o rumo da solução desenvolvida assim como o porquê de todo o desenvolvimento ter seguido um determinado rumo, e o porquê o uso de determinadas abordagens e diferentes usos de materiais na sua construção e softwares usados. Assim, no capítulo 1 temos a introdução e o enquadramento ao projeto; No capítulo 2 temos a apresentação as funções que integram a nossa solução e que estão disponíveis na mesma; No capítulo 3 temos a gestão de colmeias por intermedio de bases de dados; No capítulo 4, temos a explicação de desenvolvimento do equipamento localizador e componentes utilizados; No capítulo 5 são referidas as conclusões retiradas do desenvolvimento do equipamento e da gestão das colmeias; No capítulo 6 temos as conclusões relativas a todo o projeto. 7

28 8

29 Capítulo Tecnologias usadas e ferramentas de desenvolvimento Neste capítulo, de uma ideia geral, explica-se quais as técnicas, métodos e ferramentas usadas para o desenvolvimento das várias soluções, tanto do localizador, como da base de dados. No caso do localizador foi nesta etapa onde incidiram as maiores decisões e escolhas de quais os materiais a usar, e como usar. Nesta etapa muito do que foi usado, tem por base plataformas de desenvolvimento, tal como a plataforma de desenvolvimento embedded MBED, pois nesta fase é quando são apresentados e testados vários tipos de componentes e software, sendo obrigatório testar vários para se perceber qual melhor se adequa à nossa solução. Em termos da localização, o sistema a ser usado terá que ser um sistema baseado em GPS pois é o único que oferece condições de localização em tempo real e com uma cobertura nacional/mundial. Em termos de comunicação existe a hipótese de uso de várias tecnologias, tais como radiofrequências de uso livre mas que poderiam carecer de custos adicionais, e consumo adicional das baterias. Após a escolha do tipo de tecnologias usadas no desenvolvimento do localizador, é necessário proceder a conexão dos vários dispositivos de forma a existir alimentação a todos, e comunicação entre todos. Para a realização dessa conexão é necessário dimensionar o número de ligações entre os vários dispositivos, e localização dos mesmos na placa de circuitos impressos (PCB). Para a realização deste passo existem múltiplos softwares, os quais foram alguns testados, mas devido ao seu desempenho, e modo de funcionamento a escolha recaiu para o software ALTIUM que é um dos mais conhecidos, e que possui mais librarias e recursos disponíveis na internet, além de que o seu fácil modo de funcionamento associado à rapidez com o utilizador aprende a interagir com este software, foi o escolhido para o dimensionamento da parte física do equipamento. 9

30 2.1 MBED O MBED NXP-LPC11U24 foi uma das escolhas para plataforma de desenvolvimento por vários motivos. A nível global é uma plataforma de desenvolvimento dirigida para prototipagem rápida de microcontroladores ARM, que possui um pinout de ligação rápida para poder conectar todo o tipo de microcontroladores e outros componentes eletrónicos, e ligação USB para rápida transferência do nosso programa para o microcontrolador. Além disso possui ainda muitos módulos de fácil conexão com as mais diversas funções. A vantagem de usar uma plataforma de desenvolvimento como esta é que se programa diretamente o microcontrolador a ser usado na solução final com muitos dos drivers já disponíveis. Embora na plataforma existam recursos que não são usados, temos acesso a todos os recursos através do microcontrolador na mesma, ou seja, apenas são usados os que interessam e que depois de eliminados reduzem o custo final do equipamento. No fim do desenvolvimento encomenda-se apenas o microcontrolador que integra a plataforma e os componentes que vão ser usados, levando também a uma diminuição do espaço gasto. Assim, durante o desenvolvimento pode-se ligar e desligar vários componentes para a realização de testes, aproveitado depois no fim, aquele que interessa, e sendo mais fácil a realização de debug do código. Neste caso concreto o microcontrolador que equipa a plataforma é o NXP-LPC11U24, o mesmo que usado na versão final do localizador, daí usar-se o mesmo código tanto na plataforma como na solução final, pois existe correspondência direta entre as portas de ligação da plataforma e do microcontrolador. Conclui-se que existem vantagens em programar neste tipo de plataformas, pois o código funciona no microcontrolador que integra a plataforma, temos múltiplos recursos à escolha, usando apenas os que se necessita, e basta ligar a plataforma por uma ficha USB e descarregar o nosso programa para a plataforma e está pronto a testar. Na montagem final basta encomendar o microcontrolador e os componentes necessários para o seu funcionamento, poupando dinheiro e espaço. 10

31 2.2 GPS O sistema de GPS [LC 98] é o sistema global usado para se obter as coordenadas de localização de um equipamento num dado momento. Este sistema funciona a partir de sinais recebidos de satélites e através da triangulação desses sinais com a localização dos satélites sabe-se a localização do equipamento a nível global. Este sistema é usado a nível mundial nos mais diversos equipamentos eletrónicos, desde telemóveis, a sistemas de GPS para carros, até a máquinas fotográficas, e funciona sobre quaisquer condições climatéricas, com uma precisão que vai até escassos metros. Através deste sistema, em caso de furto é possível saber a localização da colocação da colmeia. O aspeto negativo deste sistema é que a receção do sinal é fortemente penalizada caso o sinal tenha que atravessar materiais do tipo metálico, que é o caso das tampas das colmeias que são revestidas a zinco. O sistema GPS é um sistema de posição global que permite obter a localização do equipamento em qualquer parte do mundo desde que este receba os sinais dos satélites, ou seja o aparelho necessita de estar a céu aberto ou não pode ter grandes obstáculos em redor. Para se obter uma localização GPS é necessário receber sinal de quatro satélites, embora com três seja possível, é necessário um quarto para obter uma melhor sincronização entre os sinais. Este sinal chega em duas frequências, a freq. L1 que é a MHz, e a freq. L2 que é a MHz. Quantos mais sinais de distintos satélites apanhar, mais correta é a localização ou seja, menor a distância de erro. Esta distância de erro chega a ser com uma bom sinal, de apenas 1 a 2 metros de erro. O sinal dos satélites pode ser gravemente atenuado devido a condições climatéricas ou devido à existência de obstáculos em redor do equipamento. Com um arranque a frio, e depois de algum tempo sem ter obtido localização o equipamento terá que descarregar o Almanac que é basicamente a informação de localização de cada satélite. Este processo pode demorar alguns minutos. Depois de concluído este processo a localização e relativamente rápida. Depois de obtida a primeira localização, mesmo que o aparelho seja desligado e ligado novamente pouco depois (arranque a quente), demora alguns segundos a obter a nova localização. O arranque a frio pode demorar até 10 minutos, enquanto que um arranque a quente demora cerca de 15 a 30 segundos. 11

32 2.3 GSM Outra das tecnologias de comunicação usadas no equipamento foi a comunicação na rede GSM [EJ 01]. Através deste tipo de comunicação é possível enviar SMS com a localização e estado do localizador para um telemóvel, ou equipamento informático. O uso desta forma de comunicação é realizada através de operadores GSM, os quais taxam as comunicações realizadas através da sua rede, ou seja vai gerar custo para o utilizador. Em Portugal existem 3 principais operadores de rede GSM, os quais são responsáveis pela cobertura a nível nacional, o que significa que em certas zonas rurais pode existir cobertura de uma operadora, e na zona vizinha já não existir a cobertura por essa operadora, mas sim por outra operadora concorrente. Em termos práticos, antes de colocar um localizador num local, primeiro e necessário realizar o estudo de qual operadora oferece melhor cobertura e taxação pelo serviço de envio de SMS. A rede GSM opera em sinais digitais, o que permite o envio de pacote de dados, os quais são taxados também pelas operadoras de comunicações GSM. Através de um SMS é possível enviar texto com um tamanho máximo de 160 caracteres, o que é suficiente para o envio da localização e estado do equipamento. A rede GSM é usada para comunicações móveis, mais vulgarmente conhecidas por comunicações entre os dispositivos móveis (telemóveis, tablets, etc). A frequência de comunicação nesta rede pode ser realizada a 900MHz, 1800MHz ou a 2100MHz. Este tipo de comunicações atualmente encontra-se bastante vulgarizado e com uma boa cobertura a nível nacional, embora em certas zonas rurais possa estar indisponível devido a baixa concentração de utilizadores, mas se não existir cobertura por parte de um operador de GSM, deverá haver por parte de outro. A comunicação é feita digitalmente e cada recetor tem um ID único, chamado IMEI, que em caso de roubo e possível bloquear esse IMEI, e a partir desse momento esse equipamento deixa de conseguir ligar-se a rede GSM. 12

33 2.4 Acelerómetro Um acelerómetro (Ilustração 1) é, num princípio básico, um componente que deteta aceleração de movimento em relação a um eixo/direção. Partindo deste princípio foram desenvolvidos vários componentes eletrónicos que detetam o movimento em relação a três eixos, o da altura em relação ao solo, e mais dois paralelos ao solo e perpendiculares entre si, que podem ser vistos como o movimento para a frente e trás e para os lados. Caso o dispositivo esteja imóvel, não irá existir movimento, ou seja não vai haver alterações de valores por parte do acelerómetro, caso existam pequenas vibrações, o acelerómetro irá detetar essas vibrações e disparar o alarme. As vibrações são caracterizadas por pequenos movimentos variáveis em várias direções mas que são detetadas pelo acelerómetro. A única função do acelerómetro é estar à escuta deste movimento, que quando existe, envia um sinal ao controlador principal o qual acorda todo o sistema e se encarrega de desencadear o restante processo. Enquanto existir movimento o acelerómetro deve enviar esse sinal ao microcontrolador, assim que o movimento termina, o acelerómetro deixa de detetar o movimento e deixa de enviar o sinal de movimento. Ilustração 1 - Principio do Acelerómetro 13

34 2.5 ALTIUM O software ALTIUM é um software de desenho eletrónico técnico que permite o desenho de esquemáticos (Ilustração 2) e da posterior exportação para a PCB. Este software permite o desenho e edição dos componentes eletrónicos, e dos seus footprints. A escolha deste software foi realizada após o teste de outras aplicações semelhantes mas que apos uma análise mais detalhada, foram descartados pois não possuíam recursos necessários, eram de difícil aprendizagem em termos de uso, ou eram limitados na sua versão gratuita. Este tipo de software tem como objetivo criar e auxiliar as várias ligações entre os vários componentes eletrónicos, valores que certos componentes irão ter, e respetivos locais de montagem. Assim, no fim do desenvolvimento dos desenhos e possível ver as ligações existentes entre os vários componentes, adicionar, editar ou apagar componentes e respetivas ligações de forma fácil, e visualizar o desenho final, de forma a criar uma forma de visualização, para poder tirar conclusões, tais como se o tamanho é o ideal, a localização de componentes não interfere com outros fatores, e ainda prever custos de construção. Dentro do software existem 2 componentes distintas no desenvolvimento da parte física do localizador, a parte esquemática e parte desenho na PCB. Cada componente, (que vai desde a uma simples resistência, até ao mais complexo microprocessador) dentro do software tem dois desenhos associados, um para o esquemático, e o denominado de footprint (Ilustração 3) para a PCB (Ilustração 4). Ilustração 2 - Esquemático Transístor 14

35 - A primeira parte é o desenvolvimento do esquemático, nesta fase é realizada a ligação entre os vários componentes que fazem parte do circuito, não existindo ainda a preocupação por onde passam as ligações, apenas que os componentes tenham as suas respetivas ligações. Estes componentes têm entre uma porta de ligação até centenas de portas, daí que é importante que nesta fase fique realizada uma correta ligação entre os mesmos. De realçar que nesta fase, o desenho que corresponde ao componente, ou seja o esquemático do componente, não tem garantidamente qualquer semelhança com a sua correspondência real. Aquando da escolha do componente e selecionado o seu footprint, que é o seu desenho real a ser usado na segunda parte do desenvolvimento, existindo também a correspondência entre o número da porta no esquemático e do footprint associado, em que o número do esquemático pode ser igual, ou não ao número do footprint. Estes footprints podem já existir para um dado componente, ou pode ser necessário a sua criação para componentes menos frequentes. Esta criação na maioria das vezes, é possível e de fácil execução graças a um wizard existente no software ALTIUM em que apenas é necessário indicar o número de portas do componente e respetivos tamanhos associados. No final desta fase é obrigatório que todas as ligações necessárias entre os vários componentes estejam realizadas, e que todos os componentes possuam o seu footprint associado, pois caso isso não aconteça não é possível avançar para a segunda fase. Ilustração 3 - Footprint Transístor - Na segunda parte do desenvolvimento e já com as portas todas devidamente conectadas, prossegue-se então para a escolha da localização dos componentes na PCB, existindo apenas a preocupação de alinhar só componentes de forma correta, por zonas, ou camadas. Aqui nesta fase já não existe a preocupação se as ligações se encontram corretas pois essa preocupação fica na primeira parte. 15

36 De forma resumida, na criação do esquemático é necessário indicar os componentes que a solução final engloba, e realizar as ligações necessárias entre eles. Cada componente tem o seu desenho esquemático e footprint associado, em que a única relação que existente é o numero de portas e respetiva associação de portas do esquemático para o footprint. Na criação do desenho da PCB já se trabalha com os footprints dos componentes e respetivas ligações, de forma a escolher a melhor localização dos mesmos na montagem final. Ilustração 4 - Local do transístor na PCB 2.6 RFID A tecnologia RFID é um método de identificação automática através de sinais de rádio, recuperando e armazenando dados remotamente através de dispositivos denominados etiquetas RFID. Uma etiqueta ou componente RFID (Ilustração 5) é um transponder, um pequeno objeto que pode ser colocado numa pessoa, animal, equipamento, embalagem ou produto, entre outros. O seu conteúdo interno são chips de silício e antenas que lhe permite responder aos sinais de rádio enviados por uma base transmissora. Além das etiquetas passivas, que interferem o sinal enviado pela base transmissora, existem ainda as ativas, dotadas de bateria, que lhes permite enviar o próprio sinal, porém são mais caras que do que transponders passivos. Os transponders RFID são muito usados como alternativa a códigos de barras e outros, por forma a ser possível uma identificação a alguma distância do scanner ou do leitor. Esta informação é enviada depois de o transponder passar por um campo eletromagnético. 16

37 Os sistemas de RFID podem ser definidos pela faixa de frequência em que operam: - Sistemas de Média e Alta Frequência (30 a 500 KHz): Para curta distância de leitura e baixos custos. Normalmente utilizado para controlo de acesso e identificação. - Sistemas de Ultra Alta Frequência (850 a 950 MHz e 2,4 a 2,5 GHz): Para leitura em médias ou longas distâncias e leituras em alta velocidade. Normalmente utilizados para leitura de códigos em veículos, ou recolha automática de dados numa sequência de objetos em movimento. Um exemplo desta aplicação é a via verde, sistema de pagamento eletrónico da BRISA, Autoestradas de Portugal. Esta tecnologia tem uso comum em supermercados e bibliotecas, onde se tenta impedir o furto de produtos, onde nas portas existe um leitor que identifica os transponders que la passam e que analisam se o produto foi pago. Esta análise é feita depois de ler um bit na memória do transponder que pode retornar (por exemplo) 0 para não pago, 1 para pago. Neste caso em concreto esta tecnologia pode ser usada para identificar as colmeias com um número de identificação único, que depois de consultado numa base de dados, pode possuir toda a informação correspondente a essa colmeia. Assim em caso de suspeita que a colmeia possa ter sido furtada bastará consultar o seu número de identificação, e ver se existe correspondência na base de dados. Ilustração 5 - Exemplo Transpoder RFID para as colmeias 17

38 2.7 - Base de Dados Uma base de dados (BD) é uma coleção de informações ordenada com um certo sentido. A nível informático as BD massificaram-se nos anos 80, tendo vindo a substituir o suporte em papel, por múltiplas razões. As BD informáticas caracterizam-se pela sua operacionalidade (24/7), rapidez de consulta de determinada informação, e devido à sua consistência e durabilidade. Através de uma pequena aplicação é possível realizar consultas a BD, que podem ser locais, apenas em um determinado PC, ou podem estar disponíveis através da Internet, podendo assim ser acedidas por múltiplas pessoas. Atualmente as BD encontra-se em toda a nossa volta sem as pessoas se aperceberem. Quando vamos ao nosso multibanco, que consultamos o nosso saldo, estamos a aceder a base de dados e a pedir o saldo da conta associada ao nosso cartão. Quando vamos a um hospital, em que o médico consulta o nosso histórico médico, essas informações encontram-se também numa BD. Algumas BD podem ser simples tabelas com informação em que não existe grande informação de caracter sigiloso ou privado, ou pode ser o oposto, o que acontece por exemplo em bancos. Neste último caso as BD devem ter sistemas de proteção e consistência de dados, pois não queremos que qualquer pessoa altere o valor da nossa conta bancaria, ou que numa transação valores monetários se percam. Assim e preciso conhecer bem a sua aplicação e que tipo de dados vai tratar, pois pode ser necessário mecanismos de defesa adicionais. Mas na sua essência as BD informáticas veem para auxiliar um todo de tarefas atuais, pois graças as BD podemos do conforto de nossa casa, aceder a nossa conta bancaria e realizar transações, ou no nosso emprego consultar rapidamente informações para a realização das nossas tarefas e/ou localizações. Na sua constituição as BD são no seu básico tabelas simples ou ligadas entre elas, em que é possível ler o valor de cada entrada, editá-lo ou apagá-lo. Para a existência de integridade nas tabelas, cada linha de uma tabela recebe um identificador único (chave), que identifica o número da linha de uma dada tabela. Cada linha da tabela pode conter chaves de outras tabelas, estabelecendo assim relações. Quanto a informação armazenada, aceitam normalmente valores de texto, números, valores monetários, entre outros. 18

39 Capítulo 3 3 Gestão de Colmeias por RFID A solução do RFID surge para contornar o problema de identificação das colmeias e de registo, pois até ao momento não existe nada que identifique unicamente uma dada colmeia)nenhuma identificação única para cada colmeia, existe a identificação do apiário (conjunto de colmeias numa determinada zona), que possui um conjunto de colmeias. Visto que é necessário registar toda a informação acerca de uma colmeia em concreto, através desta tecnologia isso torna-se disponível. Com esta solução é possível resolver vários problemas existentes de uma só vez. É possível criar uma correspondência entre cada colmeia (pelo transponder de RFID) e a base de dados, e em caso de furto, encontrar o verdadeiro dono Descrição Esta solução tem como base colocar um dispositivo RFID com um código único por colmeia, de forma a que não existam duas colmeias com o mesmo ID. Assim, se cada colmeia possuir um ID único, é possível manter um registo de toda a manutenção realizada nessa determinada colmeia. Este dispositivo RFID deverá ser colocado em todas as colmeias de forma a que depois não seja possível remove-lo, ou vicia-lo, mas de forma a que seja possível fazer a leitura do seu conteúdo. Esta implementação deve acontecer aquando da compra das colmeias para o caso das novas, e no caso das colmeias que já se encontram em função na natureza deve ser feito um levantamento das mesmas e realizada a colocação do dispositivo RFID. 19

40 Para a leitura destes dispositivos existem múltiplos equipamentos, desde pequenos equipamentos que ligam ao computador por uma ficha USB (Ilustração 6) ate equipamentos dedicados portáteis (Ilustração 7). Ilustração 6 - Leitor RFID USB Ilustração 7 - Leitor RFID dedicado Com estes leitores é possível realizar a leitura ao ID único de cada colmeia, através do dispositivo RFID que se encontra colocado em cada uma das colmeias Base de Dados A base de dados (BD) [SS 99] vem servir de apoio de consulta a tecnologia RFID, pois é através do uso de base de dados, que se pode aceder a toda a informação correspondente a uma dada colmeia ou consultar toda a informação de um apicultor. A BD usada nesta solução possui 3 tabelas (Ilustração 8), as quais vão possuir a mais diversa informação acerca das colmeias. Em seguida descreve-se a informação que cada tabela da base de dados possui. Tabela 1 (T_USER) Possui a informação pessoal acerca de cada apicultor e quais os apiários que lhe pertencem; 20

41 Tabela 2 (T_APIARIOS) Possui a informação relativa aos apiários, tais como a localização, número de colmeias e informações sanitárias que pertençam ao conjunto do apiário. Tabela 3 (T_COLMEIAS) Informações sanitárias relativas a cada colmeia, localização das mesmas, ID do equipamento RFID, se possui sistema de alarme ativo ou passivo, e o número de identificação atribuído pela rede operadora. Todas as tabelas possuem ainda uma chave de identificação única por tabela, que vai ser usada nas várias relações entre as várias tabelas. Este valor é do tipo int (inteiro numérico) e é incremental por cada entrada da tabela (1, 2, 3, ). A interligação entre as tabelas e feita da seguinte maneira: A tabela dos apicultores possui uma ou mais entradas da tabela de apiários, estando as entradas da tabela dos apiários associadas apenas a um apicultor (um apicultor possui vários apiários, mas vários apiários pertencem apenas a uma apicultor). Na ligação que existe entre a tabela de apiários e de colmeias existe a mesma correspondência logica, uma entrada da tabela de apiários possui varias entradas da tabela de colmeias, mas cada entrada da tabela das colmeias pertence apenas a uma entrada da tabela de apiários (um apiário possui varias colmeias, mas uma colmeia só pertence a um apiário). Assim um apicultor pode possuir um ou mais apiários, e uma ou mais colmeias. Esta solução foi implementada com o software Microsoft Access 2010, que possui 2 fases de desenvolvimento um pouco distintas, mas que se encontram bastante interligadas. Na primeira fase são criadas as tabelas com as colunas de dados que são necessárias. No caso da tabela de apicultores (T_USERS) possui a informação de contato e o nome do apicultor. A tabela dos apiários (T_APIARIOS) possui a informação relativa a localização, nome da zona e a chave única da entrada da tabela de apicultores correspondente ao apicultor proprietário. A tabela das colmeias possui a informação de intervenções na colmeia, número de série do equipamento localizador (se existente), número do cartão SIM (se existente), e a chave única correspondente à entrada da tabela de apiários correspondente. Na segunda fase quando as tabelas já se encontram criadas e com as respetivas ligações definidas, procede-se a construção dos formulários que irão proceder a consulta e alteração da informação as bases de dados de uma forma mais intuitiva, pois é possível editar os valores diretamente nas tabelas, o que não é prático nem aconselhado. 21

42 É possível que existam mais formulários do que tabelas, pois podem existir formulários mais específicos para cada tabela, por exemplo, uns para consulta, e outros para edição de valores das tabelas. Podem ainda existir os relatórios que servem para fornecer a informação que existe nas tabelas de forma organizada e num formato pronto a ser impresso em formato de papel. A solução apresentada é apenas um pouco representativa do que pode ser feito nesta vertente, pois existem soluções e linguagens mais robustas e mais ágeis do ponto vista técnico. Do ponto de vista de programação existem linguagens de programação como o C++ ou C# com bases de dados do tipo mysql, que oferecem mais flexibilidade na criação de softwares, embora através do Microsoft Access seja muito mais rápido no aspeto de criação das tabelas da base de dados e da GUI, esta última possui muitas limitações. Ilustração 8 - Relação da Base de Dados 22

43 Capítulo 4 4 Sistema Antirroubo de Colmeias A solução localizador é sobre a qual este projeto trata essencialmente, e foi a solução que ocupou mais tempo no seu desenvolvimento, pois grande parte da solução foi desenvolvida de raiz. O localizador no seu final é um equipamento de pequenas dimensões, projetado e construído para este único fim que é disparar um alarme em caso de roubo e fazer o tracking desde o seu ponto de origem até ao seu ponto final. Ao mesmo tempo este equipamento teve que respeitar certas medidas (o menor possíveis) respeitando o máximo de autonomia possível. Outro aspeto a considerar é o custo final, que é um grande desafio também, pois equipamento semelhantes tem um preço de mercado de centenas de euros, preço o qual este equipamento contraria, ficando-se pelas dezenas de euros, com características semelhantes. 4.1 Descrição O localizador aqui tratado é um equipamento com características bem definidas, e que junta vários tipos de comunicação, e tecnologias para o seu desempenho. Todo o comportamento dele é ainda nesta fase programável, podendo vários parâmetros serem definidos de forma mais otimizada. 23

44 Este equipamento ao longo do seu desenvolvimento dividiu-se em duas fases de desenvolvimento, a parte de software e a parte de hardware. No software é programada a comunicação entre os vários componentes, e o comportamento do equipamento perante as várias situações. O hardware é o que serve de suporte e que vai processar todo o código de software. Aqui neste capítulo irá ser mais detalhado cada componente de hardware usado no equipamento e o software de controlo dos mesmos. O localizador possui duas funções bem definidas, uma é dar o alarme em caso de movimento ou roubo, outra é realizar o tracking da colmeia à medida que esta se movimenta. Quando não se encontra a efetuar nenhuma destas opções, encontra-se em modo de repouso, ou Stand-by, cujo consumo energético é mínimo, possuindo assim autonomia para vários meses ou mesmo anos. Embora o equipamento esteja no modo de Stand-by o acelerómetro e o loop condutor (que se encontra ligado as colmeias do mesmo apiário mas sem equipamento) encontram-se ativos, a fim de detetar acessos não autorizados, ou intervenções através do comando. Caso exista a quebra de loop o equipamento entra no modo de funcionamento normal, conecta-se à rede GSM e comunica que existiu a quebra do loop, entrando em seguida no modo Stand-by novamente pois não vai ser possível fazer o tracking da colmeia furtada. Se existir movimento o equipamento liga-se e espera que exista novamente movimento, caso esteja movimento seja continuo o localizador, vai conectar-se a rede GSM, obter localização GPS e enviar SMS periódicas com a sua localização. Ainda neste modo o equipamento não irá ficar ligado a enviar a sua posição infinitamente, ficando apenas, por exemplo, no primeiro dia ligado 12 horas, no segundo dia 8, no terceiro dia 4,, a fim de maximizar a sua autonomia, pois pode ser necessário vários dias até encontrar novamente a colmeia furtada. Este tipo de modo de funcionamento durante o tracking é essencial para uma boa autonomia do equipamento, pois a comunicação GSM e GPS são comunicações que consomem consideravelmente alguma energia. Estes parâmetros são variáveis e podem ser definidos aquando da programação do equipamento. 24

45 Para o equipamento funcionar será necessário apenas inserir umas baterias do tipo AA que, dentro de condições normais de funcionamento, apenas necessitarão de substituição ao fim de vários meses. Poderá ser no entanto necessário substituir estas baterias mais cedo, caso o equipamento sofra um uso mais intensivo. Parte essencial do funcionamento do localizador é o software, que é a parte comunicativa entre os vários elementos, e que toma as decisões perante as condições a que vai estar sujeito. O software irá ficar alojado e será processado no microcontrolador, para o qual será compilado. A programação do microcontrolador é realizada em linguagem C++. A programação deste microcontrolador recorre a várias funções específicas que tem funções especificas a realizar, e para a comunicação com o acelerómetro, módulo de rede GSM e GPS, controlo remoto, recorre-se a algumas bibliotecas também, que foram desenvolvidas especificamente para esta solução. Por vezes existem varias bibliotecas para comunicação com os vários dispositivos existentes, mas isso acontece normalmente com plataformas mais conhecidas ou mais vulgarizadas. Quando se programa microcontroladores mais específicos, por vezes é necessário programar todas os protocolos que existem entre os vários componentes, e todo o comportamento do equipamento. Assim, na programação, através de várias funções específicas são programadas as ações a realizar em casos específicos. Na função main, função obrigatória, apenas existe a iniciação de certos parâmetros de velocidade de transmissão de dados, configuração das interrupções, atribuição de valores a algumas variáveis e invocação das funções do tratamento das ações. Em termos genéricos o código trabalha da seguinte maneira (Ilustração 9): quando o equipamento arranca, começa por executar a função main, atribui valores a variáveis, configura interrupções e adormece. Nesta fase o equipamento encontra-se em Stand-by com um consumo energético mínimo (18uA), encontrando-se ainda assim à escuta de interrupções. Estas interrupções são geradas por movimento do equipamento, quebra do loop de colmeias, ou por comandos enviados através do comando remoto. 25

46 Quando é gerada uma interrupção por movimento é sinal que a colmeia pode ser levada de um local para o outro, neste caso, é ligado o módulo GSM e GPS, para se registar na rede e para obter a localização GPS, entrando assim no estado do dia 1, que fica ligado durante X horas de forma intermitente. No fim do primeiro estado, passa ao estado do dia 2, em que fica ligado X/2 horas. Este mecanismo projeta-se por vários dias aumentando a probabilidade de localização da colmeia face às condicionantes energéticas e de ausência de sinais de comunicação. Se for uma interrupção gerada pela quebra de loop das colmeias apenas é necessário enviar uma SMS a informar que o loop foi quebrado, não sendo necessário enviar a localização, pois neste tipo ação, a colmeia que tem o localizador não foi movimentada, daí a sua localização ser a mesma, caso contrário seria disparada a interrupção de movimento e aí era obtida a localização do equipamento. Ilustração 9 - Diagrama do software 26

47 4.2 Hardware Parte relevante do localizador é a escolha também do hardware pois é aqui que se pode obter ganhos ou prejuízos a nível de consumo energético mais significativos. A escolha nesta área nem sempre e a mais facilitada pois envolve varias questões, consumo energético, tamanho, eficácia, facilidade de programação, etc. Assim, depois de uma análise mais detalhada chegou-se à escolha de componentes que a seguir se apresenta. Para se chegar a esta escolha foi usada a plataforma de desenvolvimento já falada, o MBED. Apos a escolha estar realizada, foi realizado o esquemático de ligações e o desenho da PCB para a montagem dos mesmos. As dimensões do equipamento foram tidas em conta, pois no local em que irá ser colocado não existe muito espaço livre que possa ser usado. Terá ainda de estar isolado do meio ambiente pois irá operar por longos períodos de tempo exposto ao meio ambiente. Cada componente possui tarefas bem definidas e concretas, de forma a rentabilizar o consumo energético fornecido por baterias AA. Este consumo foi também estudado de forma a minimizar os gastos e rentabilizar a sua duração. Em anexo (Anexo A.2 Ilustração 25) encontra-se o esquemático do equipamento e na imagem seguinte uma ilustração mais simplificada (Ilustração 10). Ilustração 10 - Relação Hardware 27