Kit IoTools Guilherme Lopes da Silva Omar Carvalho Branquinho Vitor Queiroz Pereira 1
Resumo Esse documento tem a finalidade de introduzir todo o conceito do KIT-IoTools, apresentando todos os procedimentos necessários para que os usuários consigam colocar todo o sistema para funcionar. Será feita uma introdução a respeito do tema de Internet das Coisas e do funcionamento do KIT IoTools, seguido de um tutorial sucinto para colocar o sistema em funcionamento. 2
Sumário 1. Introdução... 4 2. Componentes do KIT IoTools... 6 3. Preparação do nó sensor... 7 4. Preparação do Raspberry Pi 3... 9 5. Descobrindo o IP do servidor... 10 6. Acessando os dados no Zabbix... 13 7. Visualização aos dados no Grafana... 19 8. Conclusão... 21 Lista de comandos no Raspberry Pi 3... 22 3
1. Introdução A Solução da IoTools consiste em uma plataforma modular dividida em três grandes áreas: Rede de Sensores Sem Fio - RSSF, sistema de gerência de rede e sistema para a visualização dos dados (supervisório). Essas partes são Open Source, nas quais podem ser adaptadas ou substituídas de acordo com a necessidade do usuário. A coleta de dados e/ou acionamento de periféricos é realizada por uma Rede de Sensores Sem Fio e permite o acoplamento de diversos tipos de sensores e atuadores. O sistema gerente da Rede é responsável pelas requisições, controle do tráfego e envio de dados para o servidor. O Supervisório realiza a função de disponibilizar os dados coletados via browser e controlar parâmetros de acionamento ou configuração da RSSF. Estas três áreas em conjunto formam uma solução completa, de comunicação bidirecional, para o desenvolvimento de aplicações em Internet das Coisas (Internet of Things, IoT). Na Figura 1 é apresentado uma visão sistêmica da plataforma. Em resumo, é utilizado um script em Python para coletar os dados da RSSF (que funciona com base no protocolo Radiuino); o mesmo script faz uma série de tratativas dos dados para em seguida disponibilizá-los no servidor Zabbix. Figura 1. Arquitetura do sistema. A RSSF utiliza o protocolo Radiuino, que consiste em um conjunto de bibliotecas para ser utilizado no Arduino IDE. Além de ser um protocolo Open Source, o Radiuino foi desenvolvido com o objetivo de promover a didática do aprendizado, funcionando assim como uma ótima ferramenta para ensino e desenvolvimento de projetos. No Radiuino é possível detectar uma estrutura de códigos modelada em camadas, o que facilita compreender o funcionamento de uma rede de sensores sem fio. O protocolo é pré-configurado para realizar a comunicação ponto a ponto, ou seja, a estação base se comunica diretamente com cada um dos nós sensores. Entretanto, a flexibilidade do protocolo Radiuino permite que o usuário customize sua própria aplicação, incluindo vários nós sensores, repetição de sinal (com objetivo de alcançar distâncias maiores), redes MESH, comunicação do sistema rádio com outros dispositivos dentre outras aplicações (mais informações em www.radiuino.cc). A princípio, o hardware principal para construir a RSSF da solução 4
é o BE900, que consiste em um módulo transceptor rádio CC1101 atrelado a um microcontrolador ATMEGA328P. Como a solução é modular e flexível, outras tecnologias de rádio poderão ser implementadas para diversos fins, como testes de distância, desempenho, etc. O Gerente de Rede é um Software que utiliza um Script em Python. Este é responsável tanto pelo gerenciamento da RSSF quanto por fazer o upload dos dados no servidor. O script faz as requisições de dados para a RSSF, tratativa e envio dos mesmos para o supervisório/servidor. A operação de gerência de rede funciona no interior de um Raspberry Pi 3 Modelo B, um microcomputador muito conhecido e utilizado (segundo pesquisas de mercado feitas por nossa equipe). Além disso, testes exaustivos foram feitos para validar que o microcomputador em questão era capaz de cobrir as necessidades técnicas da solução. O sistema supervisório utilizado na solução é o Zabbix, que se trata de um sistema para redes de computadores. Tal sistema foi adaptado à redes de sensores sem fio, com o principal objetivo de atender as necessidades da IoT. No Zabbix, os dados podem ser gerenciados do ponto de vista da aplicação, possibilitando a tratativa de dados (analytics) e tomadas de decisões, como por exemplo o envio de um e-mail para o usuário ou acionamento de um atuador caso a grandeza de interesse atinja um valor pré-determinado. Da mesma forma que o software gerente de rede, o servidor Zabbix também pode funcionar localmente ou na nuvem. Pelo fato de ser desenvolvido nas linguagens de programação C e PhP, o servidor Zabbix é um software leve, podendo ser executado por um microcomputador, o que destaca a ferramenta de supervisão e controle perante as demais. Na Figura 2 é apresentado o KIT IoTools. Figura 2. KIT IoTools. 5
2. Componentes do KIT IoTools Os principais componentes do KIT-IoTools são: Estação base: composta por um rádio BE900 e um programador UartsBee; Nó sensor: composto por uma placa de aplicação DK105, um BE900, um módulo relé e um transdutor de temperatura; Um roteador Wi-Fi TP-Link TI-wr702n Wireless; Um Raspberry Pi 3 Modelo B com cartão SD 16GB; Um programador FTDI RS232; Duas antenas Fontes de alimentação para os dispositivos; Suporte para o nó sensor. 6
3. Preparação do nó sensor A Figura 3 mostra o nó sensor e seus componentes. Os componentes são: Um módulo rádio BE900; Um módulo relé, utilizado para acionar algum dispositivo (lâmpadas, ventiladores, etc); Um transdutor de temperatura à prova d agua; Uma antena. Figura 3. Componentes do nó sensor. As conexões dos sensores na placa de aplicação devem ser de acordo com a Figura 4. O sensor (também chamado de transdutor) de temperatura deve ser conectado na porta analógica A2; já o módulo relé deve ser conectado na porta digital D7; em seguida, basta conectar a antena e ligar o nó sensor na tomada (utilizar a fonte 9V). Essas portas foram mapeadas no Firmware do nó sensor, que já está gravado no microcontrolador do módulo rádio BE900. Certamente, é possível utilizar as outras portas da placa de aplicação para acoplar mais sensores e atuadores, mas isso deve estar previsto no Firmware do nó sensor. Neste manual, o foco é explicar os procedimentos necessários para fazer o Kit-IoTools funcionar e observar as informações no servidor. Em outra ocasião, faremos um tutorial, abrangendo mais profundamente, todas as etapas necessárias para fazer o upload de Firmware, acesso ao script em Python e, finalmente, a criação de novos componentes virtuais no servidor Zabbix. 7
Figura 4. Conexão dos dispositivos na placa de aplicação. 8
4. Preparação do Raspberry Pi 3 O Raspberry Pi 3 já está automatizado para fazer todos os procedimentos necessários de modo que o sistema funcione adequadamente. Dessa maneira, basta que o usuário ligue a base e o Raspberry Pi 3 por meio do cabo USB e, em seguida, energize o Raspberry Pi 3 com a fonte 5V. Para isso, Observe a Figura 5. Tarefas complicadas como automatização da rotina do script em Python, ativação do servidor Zabbix, funções de data e hora, entre outros, já foram previstos de tal modo que o usuário não precise se preocupar. Figura 5. Acionando o Raspberry Pi 3. 9
5. Descobrindo o IP do servidor Partindo do pressuposto que tanto o Raspberry Pi 3 e o nó sensor estão funcionando, vamos utilizar o roteador Wi-Fi TP-Link para criar uma rede local para que, desse modo, possamos acessar o servidor Zabbix (que está rodando no interior do Raspberry Pi 3). O roteador Wi-Fi é mostrado na Figura 6. Figura 6. Roteador Wi-Fi. Ao alimentar o roteador com a fonte de 5V, a rede local será criada. O nome da rede e a senha estão disponibilizados na parte de trás do roteador, tal como mostra na Figura 7. Vale ressaltar que os usuários e senha variam entre os roteadores e, muito provavelmente, seu roteador terá usuário e senha diferentes do que foi mostrado na figura 7. Já a Figura 8 mostra a rede Wi-Fi criada pelo roteador. Figura 7. Usuário e senha do roteador Wi-Fi. 10
Figura 8. Rede Wi-Fi. Após estar conectado na rede, abra o navegador do computador e digite 192.168.0.254. Este é o IP do roteador Wi-Fi, e agora precisamos acessá-lo para descobrir qual o IP do Raspberry Pi 3 nessa rede. Sendo assim, entre com usuário e senha, tal como ilustrado na Figura 8. Figura 8. Usuário e senha do roteador TP-Link. Neste momento, estamos na página do roteador Wi-Fi e, então, devemos descobrir qual o IP que foi atribuído ao Raspberry Pi 3 na rede. Para isso, na aba Advanced Settings, selecione a opção DHCP e, em seguida, DHCP Client List. Feito isso, observe a Figura 9. O IP atribuído foi 192.168.0.100. 11
Figura 9. IP do Raspberry Pi 3 na rede. 12
6. Acessando os dados no Zabbix Agora é hora de acessar os dados no servidor Zabbix. Como foi dito no início desse documento, o Zabbix é um sistema de monitoramento e controle nativo para redes de computadores. Nossa tarefa foi customizado para atender as necessidades de sensoriamento inteligente. Para ter acesso ao Zabbix, digite 192.168.0.100/zabbix em seu navegador de Internet. Na tela de autenticação, entre com usuário e senha mostrados na Figura 10. Figura 10. Tela de autenticação. Observe a Figura 11, que se trata da tela inicial do servidor Zabbix. Nela, existem informações como por exemplo se o servidor está funcionando adequadamente, número de Hosts, itens, triggers, usuários, etc. 13
Figura 11. Tela inicial do servidor Zabbix. Selecione o item Dados recentes logo abaixo do item Inventário. Você deverá ter acesso aos dados do seu nó sensor em tempo real, tal como foi mostrado na Figura 12. Figura 12. Dados do nó sensor. 14
De maneira sucinta, vamos à interpretação dessas informações: Estado do atuador genericamente, o módulo relé está sendo chamado de atuador. Isso porque é possível acionar dispositivos como ventiladores, lâmpadas, pequenos motores, etc. Nesta aplicação, o módulo é acionado de acordo com um valor de referência da temperatura, e esse procedimento será mostrado posteriormente; Indicador de problemas é uma variável que indica se a medição de temperatura está funcionando adequadamente ou não. Quando o funcionamento está normal, então a variável retorna Medida OK ; caso contrário, será informado um problema de medida. Faça um teste você mesmo, simplesmente desconectando o sensor de temperatura da placa de aplicação. Em instantes você deverá visualizar a mensagem Problema de medida ; RSSI Downlink trata-se da intensidade de sinal na comunicação sem fio entre a base e o nó sensor (Received Signal Strenght Indicator, RSSI). Como a comunicação é bidirecional, faz sentido que hajam duas RSSI s. O termo Downlink (entendido como Descida ) é referente à intensidade de sinal da informação que trafega da base para o nó sensor; RSSI Uplink referente à intensidade de sinal da informação que trafega do nó sensor para a base. O termo Uplink deve ser entendido como Subida ; Temperatura é a temperatura média calculada no nó sensor; Temperatura máxima é a temperatura máxima; Temperatura mínima é a temperatura mínima. Também é possível ter acesso aos gráficos gerados pelo próprio Zabbix. Na mesma página de visualização dos dados, no canto direito, basta clicar nas palavras destacadas em azul. Observe a Figura 13, na qual o gráfico da RSSI de Downlink (por exemplo) foi ilustrado. Figura 13. Gráficos gerados pelo Zabbix. Além disso, também podemos criar interfaces gráficas no Zabbix. Para isso, clique na aba Mapas, destacada na Figura 12. Observe que isso pode ser ajustado para quaisquer tipos de aplicação, o que torna essa ferramenta de monitoramento bastante flexível. Na figura 14 é mostrado o link de comunicação entre a base e o nó sensor, a temperatura e o estado do atuador (que neste momento está desligado). Neste instante, o atuador está desligado porque a temperatura atual está menor do que o valor de 15
referência estabelecido. Então, vamos reduzir esse valor de referência para acionar o atuador. Figura 14. Interface gráfica no Zabbix. Clique em configuração e depois em Sensores, de acordo com os destaques feitos na Figura 15. Na próxima tela, clique em Triggers, opção que foi destacada na Figura 16. Figura 15. Configuração/Sensores. 16
Figura 16. Triggers. No servidor Zabbix, as Triggers (que significa gatilho, em inglês) devem ser interpretadas como providências a serem tomadas caso alguma coisa aconteça. Em nossa aplicação, uma Trigger foi acionada caso o último valor de temperatura ultrapasse um valor de referência. Nessa situação, a Trigger vai acionar o atuador (módulo relé). Na tela das Triggers, antes mesmo de selecionar a opção Controle de temperatura, observe no canto direito a expressão {Sensor:temperatura.last()}>30 na Figura 17. Isso quer dizer que, se a temperatura ultrapassar o valor de 30 graus, a Trigger disparada para acionar o atuador. Como neste tutorial a temperatura estava por volta de 20 ºC (figura 12), o atuador estava desligado. Então, selecione a Trigger Controle de temperatura para que possamos alterá-la. Mude o valor 30ºC para 15ºC e depois clique no botão Atualizar no final da página. Observe a Figura 17, na qual foi destacado o local onde deve ser feita a mudança do valor de referência. Figura 17. Configuração das Triggers. 17
Em instantes, você vai escutar o relé sendo acionado. Selecione a aba Monitoramento e depois Mapas para que possamos visualizar o novo estado do atuador via interface gráfica (Figuras 18 e 19). Na interface gráfica, observe que a imagem do estado do atuador foi alterada de cinza para vermelha. Isso quer dizer que o usuário do sistema tem conhecimento a respeito do atuador mesmo estando distante dele. Em outras palavras, nossa plataforma permite que o usuário faça sua própria gerência à distância. Figura 18. Monitoramento/Mapas. Figura 19. Novo estado do atuador. 18
7. Visualização aos dados no Grafana O Grafana é um software desenvolvido com o objetivo de disponibilizar interfaces gráficas amigáveis para os usuários. Para acessá-lo é muito simples: abra uma nova aba no seu navegador de Internet e digite 192/168.0.100:3000. Você será direcionado para a tela de autenticação do Grafana, de acordo com a Figura 20. Figura 20. Tela de autenticação do Grafana. Selecione a opção HOME e em seguida Nó sensor Temperatura, de acordo com a Figura 21. Finalmente, você poderá ter acesso aos dados do nó sensor (Figura 22). 19
Figura 21. Dashboards no Grafana. Figura 22. Visualização dos dados no Grafana. 20
8. Conclusão Nossa plataforma permite que o usuário tenha sua própria gerência dos dados coletados, o que é fundamental para promover IoT. Foi apresentado um pequeno manual do Kit IoTools, cujo objetivo era de ensinar o usuário a interagir com o sistema. Serão disponibilizados, também, novos tutoriais para desenvolvedores, abrangendo de maneira profunda, todas as partes necessárias para que o sistema funcione com novas aplicações, novos tipos de atuadores e sensores, etc. 21
Lista de comandos no Raspberry Pi 3 Seguem abaixo alguns comandos que podem ser executados no Raspberry Pi, caso o usuário necessite. Zabbix e grafana Verificar o Status do agente Zabbix: sudo systemctl status zabbix_agentd Verificar o Status do servidor Zabbix: sudo systemctl status zabbix_server Verificar o Status do servidor Grafana: sudo systemctl status grafana Interromper o agente Zabbix: sudo systemctl stop zabbix_agentd Interromper o servidor Zabbix: sudo systemctl stop zabbix_server Interromper o servidor Grafana: sudo systemctl stop grafana Iniciar o agente Zabbix: sudo systemctl start zabbix_agentd Iniciar o servidor Zabbix: sudo systemctl start zabbix_server Iniciar o servidor Grafana: sudo systemctl start grafana Reiniciar o agente Zabbix: sudo systemctl restart zabbix_agentd Reiniciar o servidor Zabbix: sudo systemctl restart zabbix_server Reiniciar o servidor Grafana: sudo systemctl restart grafana Logs gerados pelo agente Zabbix: sudo cat /var/log/zabbix_agentd.log Logs gerados pelo servidor Zabbix: sudo cat /var/log/zabbix_server.log Verificar os processos rodando: sudo ps aux grep <software> Verificar os processos do agente Zabbix: sudo ps aux grep zabbix_agentd Data e hora: Atualização de data e hora pela Internet: sudo ntpdate ntp.ubuntu.com Verificação do horário do RTC: sudo hwclock r Escrever novo horário no RTC: sudo hwclock w Acesso aos Scripts em Python: Script principal: sudo nano /opt/radiuino/dados/script.py Script secundário: sudo nano /opt/radiuino/dados/sensores/s1.py Logs gerados pelo Script: cd /opt/radiuino/dados/logs Desligar o Raspberry Pi 3: sudo shutdown h now 22
Reiniciar o Raspberry Pi 3: sudo reboot 23