UNIVERSIDADE POSITIVO NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO JOED LOPES DA SILVA LUIZ FERNANDO OMENA PADILHA Estação meteorológica para regiões remotas Curitiba - PR 2011
JOED LOPES DA SILVA LUIZ FERNANDO OMENA PADILHA Estação meteorológica para regiões remotas Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia da Computação da Universidade Positivo como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro da Computação. Prof. Alessandro Brawerman Orientador Curitiba - PR 2011
TERMO DE APROVAÇÃO Joed Lopes da Silva Luiz Fernando Omena Padilha Estação meteorológica para regiões remotas Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação da Universidade Positivo, pela seguinte banca examinadora: Prof. Alessandro Brawerman (Orientador) Prof. Valfredo Pilla Jr. Prof. José Carlos da Cunha
AGRADECIMENTOS Ao Professor Alessandro Brawerman, obrigado pela paciência na orientação e incentivo que tornaram possível a conclusão deste projeto. A todos os professores do curso de Engenharia da Computação da Universidade Positivo, pela sua importância em nossa vida acadêmica. Joed Lopes da Silva A Deus, por ter me concedido a oportunidade de realizar este projeto e por estar sempre comigo. Aos meus pais Edmilson e Joana e meu irmão Camilo, que estiveram presentes em todos os momentos, apoiando-me em todas as escolhas e por acreditarem na minha capacidade. A minha namorada Aline Sestren que esteve sempre presente no decorrer deste projeto. Aos meus familiares e ao professor Giancarlo de França Aguiar, por ter sido um exemplo pelo qual sempre irei me espelhar. Luiz Fernando Omena Padilha Aos meus pais e toda minha família que, com muito amor, carinho e paciência não mediram esforços para que eu completasse esta etapa da minha vida. Aos amigos e colegas, em especial Caroline e Vinicius, pelo carinho e apoio durante o curso. É difícil fazer previsões, especialmente sobre o futuro. (Niels Bohr)
RESUMO Este trabalho tem por objetivo apresentar uma estação meteorológica completamente autônoma para ser utilizada em regiões de difícil acesso ou desprovidas de energia elétrica. Esta ideia surgiu a partir das crescentes necessidades dos praticantes de voo livre. O projeto toma como base dificuldades na prática do voo livre, esporte que requer a compreensão de instrumentos avançados de voo como o altímetro, barômetro, variômetro e GPS, além da análise das condições climáticas, estudo dos ventos e observação das nuvens. A necessidade de se fazer todas estas observações durante o voo pode ser minimizada quando se dispõe de informações precisas no local da prática do esporte, antes de praticá-lo efetivamente. A partir destas observações foi proposto o desenvolvimento de uma estação meteorológica que possa ser utilizada em locais remotos, contendo sensores de temperatura, velocidade e direção do vento, umidade, pressão atmosférica e captura de imagens, além de um sistema que possa enviar dados para um servidor Web com informações em tempo real das condições atmosféricas no local. O sistema é alimentado por bateria recarregável com células solares capazes de prover a autonomia necessária para o seu funcionamento sem a necessidade de ligações elétricas. Todo o projeto foi desenvolvido procurando reduzir ao máximo as partes expostas diretamente as intempéries. Após extensivos testes o projeto se mostrou expansível e comercializável, já que seu custo é bem reduzido quando produzido em escalas maiores. Secundariamente, o projeto pode ser expandido para outras áreas de atuação como o monitoramento de regiões agrícolas e de pastagem, além de ser uma opção de sistema meteorológico completo de baixo custo para pequenas cidades e povoados. Palavras-chave: estação meteorológica, GPRS, sensores.
ABSTRACT The main objective of this project is to develop a fully autonomous weather station to be placed in areas of difficult access or with lack of electricity. This idea came from the growing needs of pilots on free-flying sports. The main idea was brought by the difficulties when practicing free-flight as it requires an advanced understanding of flight instruments such as the altimeter, barometer, variometer and GPS, as well as understanding different weather conditions, the study of the winds and observation of cloud movement. The need to do all these observations can be reduced when pilots have accurate information from the practice site before the pilot can effectively fly. After facing these difficulties the development of a weather station that can be used in remote locations was purposed. This weather station contains several sensors, such as temperature, wind speed and direction, humidity, atmospheric pressure as well as image capture and a system to stream all this data to a Web server and present this information on the Internet. The system is powered by a rechargeable battery with solar cells connected to it providing the needed charge for the system to operate indefinitely without the need of any wiring. The entire project was developed aiming to expose only the sensors to direct weather. After extensive testing it has proven to be scalable and can be easily inserted on the market as its final cost can be significantly reduced when produced in large scale. It has also proven to be effective on monitoring agricultural and grazing regions, as well as being a complete low-cost weather station for small cities and villages. Keywords: weather station, GPRS, sensors.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ACK Acknowledgement Baud Rate Velocidade de sinalização, taxa de transmissão serial CPTEC Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos CRC Verificação de Redundância Cíclica EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution FIFO First In First Out GMT Greenwich Meridian Time GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile Communications I²C Inter Integrated Comunication INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais IP Internet Protocol Kbps Kilobits por segundo Km Quilômetro m metros ma Miliampere PHP PHP: Hypertext Preprocessor PIC Peripheral Interface Controller PR Paraná RJ Registered Jack RS-232 Recommended Standard 232 SMS Short Message Service SPI Serial Peripheral Interface TTL Transistor to Transistor Logic UDP User Datagram Protocol V Volts W Watts
LISTA DE FIGURAS Figura 2.1: Meteograma Eta/CPTEC 20 para Curitiba... 16 Figura 3.1: Diagrama de funcionamento da estação meteorológica.... 19 Figura 3.2: Estrutura de hardware do sistema.... 20 Figura 3.3: Estrutura básica do firmware do sistema.... 21 Figura 3.4: Pinos utilizados no Microcontrolador 18F4550.... 22 Figura 3.5: Modem GPRS modelo ADH8066.... 22 Figura 3.6: Frente e verso do relógio de tempo real, respectivamente.... 23 Figura 3.7: Fluxo de dados dos sensores.... 23 Figura 3.8: Anemômetro.... 24 Figura 3.9: Imagem do sensor de pressão... 25 Figura 3.10: Imagem computadorizada do sensor.... 25 Figura 3.11: Câmera VGA JPEG.... 26 Figura 3.12: Diagrama de Sequência do funcionamento do projeto.... 27 Figura 3.13: Fluxograma do software do Microcontrolador.... 28 Figura 3.14: Arquitetura do servidor Web.... 29 Figura 3.15: Modelo Entidade Relacionamento do servidor.... 30 Figura 3.16: Diagrama de Entidades e Relacionamentos do servidor.... 31 Figura 3.17: Diagrama de classes do servidor Web.... 32 Figura 3.18: Padrão de pacote de dados.... 33 Figura 3.19: Captura da tela principal.... 34 Figura 3.20: Tela para dispositivos móveis.... 35 Figura 4.1: Tempo médio para salvar pacotes no banco de dados.... 37 Figura 4.2: Tempo médio para processar pacotes.... 38 Figura 4.3: Gráfico de carregamento da bateria.... 39
LISTA DE TABELAS Tabela 3.1: Conversão entre valores do A/D e direção do vento.... 24 Tabela 3.2: Custos aproximados do projeto.... 34
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO... 11 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA... 13 2.1 I²C... 13 2.2 1-Wire... 13 2.3 RS-232... 14 2.4 SPI... 14 2.5 GPRS... 14 2.6 Cliente/servidor... 15 2.7 Meteograma... 15 2.8 Trabalhos relacionados... 17 3. ESPECIFICAÇÃO... 18 3.1 Visão Geral... 18 3.2 Características do Projeto... 19 3.3 Requisitos... 20 3.4 Arquitetura de Hardware... 20 3.5 Anemômetro... 23 3.6 Barômetro... 24 3.7 Temperatura/Umidade... 25 3.8 Nebulosidade (câmera fotográfica)... 25 3.9 Servidor remoto... 26 3.10 Software... 26 3.11 Protocolo de comunicação... 33 3.12 Custos... 33 3.13 Interface visual... 34 4. TESTES E VALIDAÇÃO... 36 4.1 Tempo de processamento... 36 4.2 Consumo de energia... 38 4.3 Testes em campo e validação dos dados... 39 5. CONCLUSÃO... 40 6. REFERÊNCIAS... 41 ANEXO A - DIAGRAMA DO MICROCONTROLADOR 18F4550... 43 ANEXO B - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO SENSOR BMP085... 44 ANEXO C - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO SENSOR SHT15... 45 ANEXO D - ESCALA DE BEAUFORT... 46
11 1. INTRODUÇÃO É dever do Estado fomentar práticas desportivas formais e não formais, como direito de todos. Desta forma inicia-se o Art. 174 da Constituição do Estado de Santa Catarina. Dentre estes esportes se destaca o voo livre que vem sendo cada vez mais praticado pelos interessados na sensação de voar (SEÇÃO IV Do Desporto. Art. 174. Constituição do Estado de Santa Catarina). O voo livre é um esporte radical aéreo não motorizado que utiliza a atividade térmica e o deslocamento das massas de ar para a realização de voos de pequenas e grandes distâncias. Suas duas modalidades principais são o parapente (paragliding) e asa-delta (hang gliding). O sonho do voo livre vem sendo conquistado desde quando Leonardo Da Vinci desenvolveu seu primeiro paraquedas, mas foi na metade dos anos 60 que David Barish, desenvolvedor de protótipos de recuperação de cápsulas espaciais para a NASA, teve a ideia de sugerir o slope soaring (conhecido no Brasil como voo de lift ou ascendência orográfica) (HOCHSTEINER, 2002). Além do voo de lift há também o voo termal, que utiliza o aquecimento irregular das superfícies (superfícies rochosas esquentam mais rápido que florestas, por exemplo) que por sua vez geram bolhas de ar quente que se desprendem e sobem até a base das nuvens. Ao voar dentro destas bolhas é possível ganhar altitude, chegando em alguns casos a mais de sete mil metros de altura (HOCHSTEINER, 2002). A ascendência orográfica ocorre quando o vento atinge um obstáculo, como um pequeno morro, montanha ou cordilheira, e cria uma corrente ascendente de ar forte o suficiente para manter no ar parapentes e asas-delta (HOCHSTEINER, 2002). Há algumas décadas quando a tecnologia ainda era precária era possível decidir pelo voo através dos métodos de avaliação da intensidade dos ventos como a Escala de Beaufort (apresentada no Anexo D). Hoje em dia, porém, praticar este esporte requer a compreensão de instrumentos avançados de voo como o altímetro, barômetro, variômetro e GPS (Global Positioning System), além da análise das condições climáticas com conhecimentos de geografia para o estudo dos ventos e observação das nuvens. A necessidade de se fazer todas estas observações durante o voo pode ser minimizada quando se dispõe de informações precisas no local da prática do esporte, antes de decolar. Estas informações são difíceis de serem obtidas já que normalmente estes locais estão relativamente afastados das grandes cidades e os centros meteorológicos das metrópoles não apresentam informações precisas para regiões distantes. Hoje em dia para a prática do esporte é realizada uma pré-analise das condições do local utilizandose meteogramas gerados pelos centros de previsão do tempo das grandes cidades. Os meteogramas para diversas regiões do país são normalmente obtidos do CPTEC (Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos), uma divisão do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) (CPTEC, 2006). É essencial saber as condições meteorológicas específicas para voo, caso contrário sua prática se torna extremamente arriscada, porém as condições apresentadas nas cidades próximas às áreas de voo pode não ser a mesma apresentada nos locais
12 propícios para o esporte. Por este motivo tem-se como objetivo do projeto criar uma estação meteorológica que possa oferecer informações precisas e em tempo real sobre as condições meteorológicas no local do voo. A solução proposta coleta dados de temperatura, velocidade/direção do vento, nebulosidade, umidade e pressão atmosférica, e envia estas informações para um servidor Web, possibilitando seu acesso a partir de um celular, computador pessoal ou notebook. A estação é alimentada por uma bateria recarregável com células solares capazes de prover a autonomia necessária para o seu funcionamento. Secundariamente, este projeto pode ser utilizado em regiões agrícolas para o monitoramento das condições atuais em plantações, em pequenas cidades como principal fonte de monitoramento meteorológico e em empreendimentos privados diversos como campos de golfe, hípicas e clubes campestres. Este trabalho visa apresentar o desenvolvimento do projeto por completo, seus testes e conclusões. O restante desta monografia apresenta no Capítulo 2 a fundamentação teórica, no Capítulo 3 o desenvolvimento do projeto, no Capítulo 4 os testes e resultados obtidos e por fim no Capítulo 5 as conclusões obtidas após o término do projeto.
13 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Este capítulo apresenta os conceitos necessários para a compreensão do projeto como um todo. 2.1 I²C O protocolo I²C é bastante utilizado na comunicação entre dispositivos de um mesmo circuito. Foi desenvolvido pela Philips na década de 1990 para facilitar o desenvolvimento de aplicações modulares, sendo encontrado em diversos aparelhos eletrônicos de consumo geral (PHILIPS, 2011). É um protocolo de comunicação serial síncrono que utiliza dois fios, sendo um de clock e outro de dados. Segundo a especificação os dispositivos a serem conectados devem utilizar saídas de coletor aberto, o que permite a ligação de diversos dispositivos nos mesmos fios, formando uma rede. A velocidade de transmissão pode variar de 100Kbps a 3,4Mbps, conforme o dispositivo e a versão do protocolo. O número máximo de dispositivos conectados a um mesmo barramento é limitada pela capacitância máxima de 400pF (EADY, 2004). Como todos os protocolos síncronos, o I²C é do tipo mestre-escravo, porém suporta mais de um mestre. Neste projeto o protocolo I²C é utilizado na comunicação do RTC e do barômetro com o Microcontrolador, onde este atua como mestre e aqueles como escravos. 2.2 1-Wire A tecnologia 1-Wire da Dallas Semiconductor Corp. oferece um protocolo de comunicação de baixa velocidade e alimentação através de um único sinal. Esta tecnologia é feita para comunicação em sistemas de baixo custo e é muito utilizada em sensores, monitores de bateria e chaveiros inteligentes por seu baixo custo e fácil implementação (DALLAS, 2011). Cada dispositivo 1-Wire possui seu próprio número serial de 64 bits que é utilizado para requisitar dados do dispositivo. O número é composto por três partes: a primeira é o código da família, com 8 bits, em seguida o endereço do componente com 6 bits e por fim 1 bit de CRC. Assim como o I²C, esta tecnologia trabalha com a técnica mestre-escravo, a rede possui um (e somente um) mestre, responsável por comandar todos os aspectos da rede, como prover alimentação para os sensores, iniciar as comunicações, receber respostas e fazer o interfaceamento entre os dispositivos e o Microcontrolador. A interface utiliza níveis de tensão de 3.3V à 5V. Sua alimentação pode ser parasita (utilizando o próprio canal de comunicação) ou externa. Na forma parasita é importante que enquanto não haja comunicações a rede permaneça em nível de tensão alto, para garantir que os dispositivos continuem funcionando. A comunicação é feita utilizando pulsos em lógica reversa e a temporização dos pulsos indica o evento que se deseja executar.
14 A ligação entre os dispositivos normalmente é feita utilizando-se cabos de par trançado sem blindagem. A maioria dos dispositivos já vem equipados com conectores RJ-45 ou RJ-11/RJ-14 (DEMUTH; EISENRICH, 2002). A tecnologia 1-Wire está disponível na estação como uma entrada de sensores alternativa à tecnologia I²C, permitindo assim que novos sensores sejam acoplados à estação de forma modular. 2.3 RS-232 O protocolo RS-232 é um protocolo de comunicação serial assíncrona, que transmite cadeias de dados bit a bit de forma sequencial. A cadeia transmitida é então remontada no destino. O protocolo RS-232 nos Microcontroladores trabalha usualmente com nível de tensão TTL (Transistor to Transistor Logic), ou seja, 5V e pode atuar com velocidade máxima de 20 Kbps (AXELSON, 2000). Este protocolo é utilizado na estação para realizar a comunicação entre o modem GPRS e o Microcontrolador. 2.4 SPI O protocolo SPI é um protocolo de comunicação serial síncrona que utiliza a topologia mestre-escravo em modo duplex completo, permitindo assim que as informações trafeguem em ambas as direções simultaneamente. Também é conhecido como interface quatro fios, pois utiliza quatro sinais para habilitar a transferência de dados. A principal diferença entre este protocolo e o protocolo RS-232 é o seu sincronismo gerado por pulsos de clock do mestre e utilizado comumente entre todos os escravos, que sincronizam as transferências de dados baseados nestes pulsos (CHATTOPADHYAY, 2010). O protocolo SPI é utilizado no sensor de temperatura e umidade para realizar sua comunicação com o Microcontrolador. 2.5 GPRS O GPRS é uma tecnologia capaz de aumentar as taxas de transferência de dados nas redes de celular já existentes. Nesta tecnologia os dados são transmitidos por comutação de pacotes, oferecendo uma taxa de transferência muito superior as tecnologias anteriores, chegando a 170kbps (ADH TECH, 2011). Dentro da tecnologia GPRS atua o EDGE ou EGPRS (Enhanced GPRS), cujo objetivo é melhorar e dar confiabilidade às transmissões de dados. O EDGE pode ser utilizado em qualquer tipo de troca de pacotes, como numa conexão em rede interna ou em uma conexão com a Internet. Sua velocidade chega à 560kbps e sua implementação em redes de telefonia celular já existentes é de baixo custo, já que a atualização ocorre apenas via software. A estação meteorológica utiliza esta tecnologia através de um modem GPRS permitindo o uso da Internet e consequentemente o envio de dados da estação para o servidor remoto.
15 2.6 Cliente/servidor A arquitetura cliente-servidor é um modelo utilizado em redes de computadores distribuídas. Neste modelo a comunicação se dá através de uma mensagem contendo uma solicitação enviada ao servidor através do cliente, pedindo a este que alguma tarefa seja executada. O servidor por sua vez executa a tarefa e emite uma resposta com o resultado (TANENBAUM, 1997). Para aplicações em rede as conexões são feitas via socket, cada conexão recebe um IP e porta específica para executar a comunicação entre o cliente e o servidor. Neste projeto a comunicação entre o modem GPRS e o servidor remoto é feita utilizando esta técnica. A comunicação é feita através do protocolo UDP, por ser mais leve e rápido quando comparado a outros protocolos. Apesar de a sua velocidade ser maior uma das desvantagens do UDP é o fato deste não fornecer garantia na entrega dos pacotes (TANENBAUM, 1997). 2.7 Meteograma O meteograma é um conjunto de gráficos disponibilizado por sites como o CPTEC que contem uma previsão do tempo com informações para os próximos 5 a 7 dias, dependendo de sua versão. A Figura 2.1 mostra um meteograma no modelo Eta/CPTEC 20 que representa as condições meteorológicas esperadas do dia 18/04/2011 0h GMT até o dia 25/04/2011 0h GMT (Greenwich Meridian Time) em um quadrado de 20Km de lado com seu centro no local da previsão, em Curitiba-PR.
16 Figura 2.1: Meteograma Eta/CPTEC 20 para Curitiba. No primeiro gráfico da figura está indicada a previsão de umidade relativa do ar para os próximos 7 dias. O segundo gráfico representa a nebulosidade prevista dividida em nuvens baixas, médias e altas, respectivamente. Em seguida está representado o prognóstico de precipitação em mm/h para os próximos dias. A quarta representação contém a previsão da variação de temperatura a 2m do chão. Logo abaixo está a predição da pressão ao nível do mar em Hectopascal. Por fim está representada a direção e intensidade do vento a 10m de altura do solo, onde as setas indicam a direção e a linha indica a sua intensidade.
17 Como este meteograma não apresenta as condições reais do local e só é gerado a cada 24 horas surge a dificuldade não só de decidir pela decolagem, mas de decidir também pelo deslocamento ao local propício para o voo. Assim a estação meteorológica no local do voo se torna indispensável para fornecer informações in loco com exatidão. 2.8 Trabalhos relacionados Rinhel apresenta em sua versão de estação meteorológica uma solução voltada para utilização na agricultura e prevenção de desastres naturais com transmissão de dados por radiofrequência, dando ênfase na importância da obtenção dos dados provenientes de sensores no dias atuais (RINHEL, 2008). O envio de dados através de radiofrequência elimina a necessidade da conexão com a Internet, permitindo com que a estação seja instalada em locais onde não há cobertura GPRS, porém a distância da comunicação é reduzida e depende de antenas para a retransmissão. Ambos os trabalhos estão voltados para a captação de dados meteorológicos com o intuito de apresentar informações precisas e locais. A utilização da tecnologia de transmissão por radiofrequência é ideal para a situação proposta por Rinhel, mas não é interessante para a solução apresentada neste projeto. Já Elliot apresenta em seu trabalho as formas de escolha de variáveis em uma rede com uma grande quantidade de estações meteorológicas voltadas para a agricultura. A rede utilizada como base para o projeto pertence ao estado de Oklahoma nos EUA, e demonstra como devem ser feitas as escolhas para obtenção de uma medição mais precisa em redes com um grande número de estações (ELLIOT et al., 1994). A obtenção de dados de múltiplas estações garante a veracidade das informações capturadas, porém são necessários investimentos altos para manter uma rede com diversas estações. O trabalho de Elliot mostra como um servidor se comporta quando recebe muitos dados e como o processamento destes dados é feito. Para garantir que as informações sejam processadas mesmo com um número elevado de estações no projeto desenvolvido testes foram feitos e estão apresentados no Capítulo 4. Trindade apresenta em seu artigo um sistema de otimização da extração de energia produzida por painéis solares fotovoltaicos capaz de detectar a direção de maior intensidade da luz solar e mover os painéis para esta direção (TRINDADE et al., 2005). A maximização do aproveitamento da energia solar aumenta a vida útil da bateria e proporciona maior autonomia a estação em casos extremos. O posicionamento do painel solar da estação meteorológica é fixo, portanto o projeto de Trindade apresenta um complemento de trabalho para a estação. Há muitos trabalhos e empresas com patentes similares na transmissão de dados de sensores em estações meteorológicas, porém não há nenhum trabalho voltado exclusivamente para a prática de esportes aéreos, cujas necessidades são diferenciadas.
18 3. ESPECIFICAÇÃO Visando facilitar a obtenção de dados meteorológicos em locais de difícil acesso ou que não possuam energia elétrica, a estação meteorológica aqui apresentada possui um sistema completo para funcionar ininterruptamente em ambientes inóspitos com o mínimo de manutenção necessária. Nesta seção é apresentada uma visão geral do projeto com suas principais características, seus módulos, diagramas, fluxogramas, esquemáticos e casos de uso. 3.1 Visão Geral A estação meteorológica para regiões remotas é um sistema embarcado clássico que possui um Microcontrolador como unidade de processamento central, sensores responsáveis por traduzir as condições climáticas em sinais elétricos, uma bateria carregada por energia solar para a alimentação e um modem responsável pela transmissão dos dados. O Microcontrolador é responsável pelo controle e automação da estação. Quando acionado este efetua a leitura dos sensores e envia os dados coletados para módulo transmissor. O módulo por sua vez efetua uma conexão via GPRS com o servidor Web e envia as informações coletadas. As informações assim que recebidas são tratadas no servidor e imediatamente disponibilizadas em um portal, permitindo que o usuário acesse as condições meteorológicas do local em tempo real a partir de um computador pessoal, notebook ou aparelho celular. Para garantir o funcionamento ininterrupto do sistema mesmo em ambientes onde não há energia elétrica uma bateria externa com células solares alimenta os circuitos. O carregador alimenta tanto o sistema com seus sensores quanto o modem GPRS. A Figura 3.1 apresenta uma visão geral do projeto de forma diagramada dividida em duas partes. Na parte superior estão os componentes embarcados da estação especificamente e na parte inferior o servidor Web com banco de dados e as formas de acesso que podem ser feitas à ele. O projeto foi desenvolvido utilizando sensores com a tecnologia I²C e 1-Wire. A primeira foi desenvolvida pela Philips buscando otimizar custo, velocidade e usabilidade na comunicação entre dispositivos de um mesmo circuito, facilitando o desenvolvimento de sistemas modulares utilizando apenas dois fios para se comunicar com vários dispositivos. A tecnologia 1-Wire foi desenvolvida pela Dallas Semiconductor Corp e é similar à tecnologia I²C, porém opera em frequências mais baixas e atinge uma maior distância de transmissão. Os sensores estão conectados a um Microcontrolador PIC que faz o interfaceamento de todas as informações captadas dos sensores com um módulo GSM/GPRS capaz de enviar dados na forma de texto para servidor Web. O servidor processa e salva em um banco de dados as informações recebidas da estação meteorológica e as disponibiliza para um usuário com acesso à Internet.
19 Figura 3.1: Diagrama de funcionamento da estação meteorológica. 3.2 Características do Projeto a) Microcontrolador PIC com suporte a comunicação I²C, 1-Wire e RS232; - Responsável pelo processamento central do sistema, captura de dados dos sensores e acionamento da transmissão. b) Anemômetro de 3 pás com medição de 5Km/h à 200Km/h; - Utilizado para a aquisição de dados relacionados à velocidade do vento. c) Cata-vento acoplado ao anemômetro; - Utilizado para a aquisição de dados relacionados à direção do vento.
20 d) Célula solar com pelo menos 5W de potência; - Permite que o sistema funcione indefinidamente dependendo apenas da energia solar para carregamento da bateria. e) Sensor de umidade e temperatura com interface SPI; - Responsável pela captura dos dados de temperatura e umidade. f) Modem GPRS com cartão SIM compatível; - Utilizado na transmissão dos dados entre a estação e o servidor Web. g) Sensor de pressão com interface I²C; - Utilizado na aquisição de dados relacionados à pressão atmosférica. h) Bateria externa de 12V com pelo menos 5Ah; - Mantém a estação alimentada e provê a energia necessária para todos os componentes da estação. i) Controlador de carga; - Evita com que a bateria sobrecarregue e dissipa a energia sobressaliente da célula solar. j) Caixa capaz de resistir a intempéries. - Permite que a estação permaneça em condições adversas com pouca ou nenhuma manutenção. 3.3 Requisitos Como o projeto foi desenvolvido para um ambiente hostil, o único requisito físico é que sua instalação seja feita em um local com cobertura GPRS e de intensidade solar moderada. Para o envio de informações é necessário que o número de celular utilizado no módulo transmissor esteja habilitado e com créditos. 3.4 Arquitetura de Hardware A Figura 3.2 apresenta a estrutura básica de hardware do sistema, que é controlado por um Microcontrolador PIC capaz de receber as informações fornecidas pelos sensores que estão divididos em módulos, bem como preparar e formatar as mensagens a serem enviadas através do modem GPRS. A alimentação é feita por uma bateria externa recarregável ligada diretamente a um painel solar. Figura 3.2: Estrutura de hardware do sistema.
21 O firmware desenvolvido para controlar a estação é responsável por obter os dados provenientes dos sensores e enviá-los para o modem GPRS onde estes são transmitidos para o servidor Web, responsável pela interpretação e disponibilização dos dados em formatação compreensível por pessoas leigas. Para economizar energia e garantir a maior autonomia possível é importante que o sistema seja ativado apenas temporariamente e fique em modo stand-by enquanto não estiver processando informações. Este processo é realizado com a utilização de um relógio de tempo real. O Microcontrolador aguarda um pulso do relógio para iniciar a aquisição e processamento dos dados. A Figura 3.3 representa o fluxograma básico do firmware utilizado no sistema. Figura 3.3: Estrutura básica do firmware do sistema. O Microcontrolador escolhido para a estação é um PIC 18F4550, por ser amplamente utilizado no mercado e suportar linguagem de programação C. O PIC suporta os protocolos RS-232, I²C e 1-Wire, necessários para a elaboração do projeto (MICROCHIP, 2004). A Figura 3.4 mostra os pinos utilizados pelo Microcontrolador e onde eles atuam. O diagrama esquemático do Microcontrolador está disponível no Anexo A. Os LEDs vermelho e verde indicam falha e sucesso respectivamente. Se houver erro ao conectar no servidor o LED vermelho pisca uma vez. Se o problema for na rede de celular este pisca duas vezes. O LED verde indica sucesso em ambos os casos. Os pinos de VCC são utilizados para a alimentação do Microcontrolador, e os pinos 13 e 14 indicam a ligação com o oscilador de 20MHz.
22 Figura 3.4: Pinos utilizados no Microcontrolador 18F4550. O modem GPRS se comunica com o Microcontrolador utilizando o protocolo de comunicação serial RS-232 com suporte a comandos AT. Os comandos AT são amplamente utilizados em comunicação com modems via HyperTerminal e conexão serial. O módulo escolhido é o ADH8066, capaz de enviar mensagens SMS e se conectar com a Internet. Sua velocidade de transmissão serial máxima é de 115.200 bps (ADH TECH, 2011). Na estação o modem é responsável por enviar os pacotes de dados para o servidor remoto e receber a confirmação da entrega destes pacotes. A Figura 3.5 mostra frente e verso do modem. Figura 3.5: Modem GPRS modelo ADH8066. O projeto contém ainda um relógio de tempo real modelo DS1307 produzido pela Dallas Semiconductor, circuito que possui um relógio preciso responsável pelo acionamento do sistema de captação dos sensores e envio das informações, portanto, toda vez que o relógio é acionado o Microcontrolador aciona a captura de dados, os sensores e o envio das informações para o servidor remoto. Este relógio também funciona pelo protocolo I²C e possui uma bateria que permite sua utilização por até 17 anos ininterruptamente (DALLAS, 2009). A Figura 3.6 mostra frente e verso deste dispositivo.
23 Figura 3.6: Frente e verso do relógio de tempo real, respectivamente. Os sensores estão divididos em módulos, permitindo assim maior organização do sistema e diminuindo a possibilidade de falhas e interferências que poderiam ocorrer em um circuito onde todos os componentes estão integrados em uma única placa. Este tipo de divisão também facilita o isolamento do sistema que não fica em contato direto com as intempéries, evitando com que o núcleo principal da estação se oxide ou deteriore. A tensão de alimentação dos módulos é de 5 V. Os protocolos de comunicação serial utilizados são o I²C e o SPI. A seguir estão apresentados os sensores responsáveis por captar as condições atmosféricas e traduzi-las para sinais elétricos dimensionáveis que podem ser compreendidos pelo Microcontrolador. A Figura 3.7 mostra a direção do fluxo de dados dos sensores para o Microcontrolador e o módulo GPRS. Os dados são captados pelos sensores, processados pelo Microcontrolador e enviados pelo modem GPRS. 3.5 Anemômetro Figura 3.7: Fluxo de dados dos sensores. O anemômetro WIND-ADS-A utilizado é fabricado pela Hobby Boards, contém um sensor de velocidade que utiliza um rotor de três pás para medir velocidades de 5Km/h à 200Km/h e um cata-ventos para detectar a direção do vento (HOBBY BOARDS, 2011). A Figura 3.8 mostra uma foto do anemômetro pronto para uso.
24 Figura 3.8: Anemômetro. A obtenção da velocidade do vento é feita através de dois interruptores de lâmina. Quando o vento sopra nas pás o rotor gira e aciona os interruptores. Estes têm seus sinais convertidos no conversor analógico/digital de 10 bits do próprio Microcontrolador. A direção do vento é obtida pelo cata-vento através de 8 interruptores de lâmina agrupados fisicamente também conectados ao mesmo conversor analógico/digital. A direção é obtida através da conversão da tensão obtida na saída do conversor A/D usando-se a Tabela 3.1 de conversão: 3.6 Barômetro Tabela 3.1: Conversão entre valores do A/D e direção do vento. Valor 0 e 10 Sul Direção 50 e 150 Sudeste 150 e 250 Leste 350 e 450 Nordeste 500 e 1023 Norte 90 e 120 Noroeste 27 e 35 Oeste 11 e 20 Sudoeste O sensor de pressão utilizado no projeto é um BMP085 produzido pela Bosch. Este sensor de alta precisão e baixa corrente é construído baseado em um sensor piezoresistivo que permite a medição de pressões barométricas de 300 hpa até 1100 hpa com uma precisão de 0.03 hpa. A conexão é feita diretamente ao Microcontrolador através do barramento I²C e sua alimentação suporta tensões de 1.8V até 3.6V. Como a pressão está diretamente relacionada à temperatura este sensor também possui seu próprio termômetro, utilizado na compensação do cálculo da pressão (BOSCH, 2009). A aquisição das informações é feita de forma sequencial, obtendo-se primeiro a temperatura e em seguida a pressão atmosférica. A compensação de ambas é feita no servidor Web, já que requer cálculos específicos. A Figura 3.9 mostra uma foto do sensor. Seu diagrama esquemático está apresentado no Anexo B.
25 3.7 Temperatura/Umidade Figura 3.9: Imagem do sensor de pressão. Os sensores de temperatura e umidade estão combinados em um único módulo e são compostos por um SHT15 da empresa Sensirion. A leitura da temperatura é feita através do envio de um comando de 8 bits utilizando o protocolo SPI. O sensor efetua a conversão da temperatura para um sinal digital e responde ao Microcontrolador com 16 bits de dados e 8 bits de CRC (opcional). O Microcontrolador envia um sinal de ACK (Confirmação) para cada bit recebido (SENSIRION, 2009). O mesmo tipo de procedimento é feito para a leitura da umidade, alterando apenas o comando enviado. A Figura 3.10 mostra uma imagem computadorizada do sensor. Seu diagrama esquemático está disponível no Anexo C. Figura 3.10: Imagem computadorizada do sensor. 3.8 Nebulosidade (câmera fotográfica) Como a nebulosidade não é normalmente mensurável de forma a ser apresentada em dados de fácil compreensão, para se obter uma ideia melhor de como está a situação no local a utilização de uma câmera no lugar de uma célula fotovoltaica tornou-se viável. A câmera utilizada é fornecida pela LinkSprite modelo LS-Y201 e suporta fotos com resolução de até 640x480 no formato JPEG com compressão. Sua alimentação é de 5V e ela utiliza interface TTL (LINKSPRITE, 2011). A Figura 3.11 apresenta a câmera utilizada em detalhe.
26 3.9 Servidor remoto Figura 3.11: Câmera VGA JPEG. O servidor é responsável por receber e interpretar os pacotes enviados pelas estações remotas, além de manter um Website no ar com todas as informações recebidas dos sensores devidamente analisadas e apresentadas ao usuário leigo. Para atingir tais requisitos foram desenvolvidos dois servidores. Um para se comunicar com as estações remotas (Servidor UDP) e outro para manter o Website (Servidor Web) disponível a qualquer usuário conectado à Internet. Ambos servidores compartilham o mesmo banco de dados. 3.10 Software Para o completo funcionamento do projeto foi necessário desenvolver dois projetos de software, um embarcado na estação meteorológica e o outro responsável pelo servidor remoto. A estação envia as informações meteorológicas coletadas pelos sensores para o servidor Web, onde estas são processadas e armazenadas no banco de dados, permitindo também a visualização das informações recebidas e configuração de parâmetros de funcionamento das estações. A Figura 3.12 apresenta o diagrama de sequência do funcionamento do sistema, abordando a interação entre estação meteorológica e o servidor UDP. A estação primeiramente verifica se o módulo GPRS está ativo e se existe conectividade com a operadora de telefonia celular. Quando o módulo GPRS estiver ativo este tenta conectar-se ao servidor remoto fornecendo dados para autenticação. O servidor verifica se os dados fornecidos estão corretos e então envia um pacote de configuração. Após a autenticação os pacotes referentes ao funcionamento da estação são processados iniciando a rotina de transmissão de informações, que depende diretamente do pacote de configurações recebido e processado anteriormente. Sempre que qualquer tipo de pacote é enviado ao servidor, há uma resposta informando se houve sucesso ou erro no processamento.
27 Figura 3.12: Diagrama de Sequência do funcionamento do projeto. O software do Microcontrolador foi desenvolvido na linguagem C utilizando o ambiente de desenvolvimento integrado CCS PCW, pela facilidade de programação direta no PIC (CCS INC, 2011). A Figura 3.13 apresenta o fluxograma da sequência de funcionamento do software implementado no Microcontrolador. Ao ser iniciado, o Microcontrolador entra em um laço de repetição e verifica se o módulo GPRS está ativo (conectado a rede de celular) ou não. Caso não haja conexão o Microcontrolador aguarda 120 segundos e depois verifica o status da conexão novamente. Quando o módulo GPRS está ativo é possível se conectar ao servidor Web enviando o pacote de autenticação. Se houver falha na conexão o módulo envia uma
28 mensagem uma mensagem de texto para um número de celular previamente configurado. Ao se conectar ao servidor a estação recebe uma mensagem contendo as seguintes configurações: intervalo de transmissão de informações, tamanho e qualidade da foto e número de celular para reportar possíveis erros. Depois de configurado este entra em um laço de repetição para o envio das informações coletadas. Caso o intervalo de transmissão seja maior que 10 minutos o sistema é reiniciado. Figura 3.13: Fluxograma do software do Microcontrolador. A arquitetura de software do servidor envolve a utilização de várias tecnologias. Para a comunicação entre as estações e o servidor é utilizado um servidor UDP que se conecta ao banco de dados. As informações salvas no banco de dados podem ser acessadas por usuários a partir do servidor Web. A Figura 3.14 apresenta esta arquitetura com todas as tecnologias utilizadas.
29 Figura 3.14: Arquitetura do servidor Web. O servidor UDP (User Datagram Protocol) foi desenvolvido em linguagem Java e é responsável por receber e processar os dados provenientes das estações. As informações processadas no servidor UDP são salvas no banco de dados MySQL (MYSQL, 2011). A camada de apresentação e a camada de regras de negócio estão separadas, permitindo maior flexibilidade na utilização de regras programadas em PHP. Já a camada de apresentação consiste em dois sistemas, um visa a utilização em computadores pessoais e foi desenvolvido em Adobe Flash Builder 4.5 (ADOBE, 2011) e o outro é voltado para dispositivos móveis, desenvolvido em jquerymobile (JQUERYMOBILE, 2011). A versão para dispositivos móveis é mais limitada, permitindo apenas a visualização de informações. O servidor HTTP utilizado foi o Apache Server (APACHE, 2011). O administrador tem acesso ao servidor Web efetuando login em uma página específica, onde então pode cadastrar usuários, cadastrar novas estações meteorológicas e visualizar os dados provenientes de estações já em funcionamento. Usuários normais têm permissões limitadas e só podem visualizar os dados e alterar suas informações pessoais. A Figura 3.15 mostra o Modelo Entidade Relacionamento (MER), modelo abstrato que tem por finalidade descrever os dados utilizados de maneira conceitual (BERTINI et al, 1992). A entidade Estação contém as informações referentes à estação meteorológica e está liga a três entidades: - Estação Configuração: contêm as informações de configuração da estação;
30 - Status Estação: informa qual é o status atual; - Entidade Informação: informa qual estação é responsável por receber as informações enviadas. Cada informação recebida é de um determinado tipo e cada tipo possui uma unidade de medida, listadas na entidade Unidade Medida. Se as informações forem inconsistentes (estejam fora de um padrão pré-determinado), são armazenadas na entidade Inconsistente. A entidade Usuário possui a entidade Permissão, que define quais são as possíveis ações a serem executadas por um determinado usuário. Figura 3.15: Modelo Entidade Relacionamento do servidor. A Figura 3.16 mostra o Diagrama de Entidades e Relacionamentos, modelo que descreve os dados de um sistema com alto nível de abstração (BERTINI et al, 1992). Este diagrama mostra todas as tabelas e tipos de dados utilizados no banco de dados do servidor.
31 Figura 3.16: Diagrama de Entidades e Relacionamentos do servidor. A programação do servidor do UDP é orientada a objetos. Este é inicializado pela classe ServidorEstacao. Ao ser iniciada a classe ajusta as configurações iniciais e aguarda o recebimento de pacotes. A cada pacote que recebido uma instância da classe ProcessaPacote é criada e é executada em segundo plano em um processo concorrente, herdando todos atributos e métodos da classe Thread da biblioteca padrão do Java. A classe Polar gerencia as conexões com o banco de dados (classe Banco) e o processamento de pacotes de imagens (classe JpegFile). Suas classes estão representadas no diagrama de classes presente na Figura 3.17.
Figura 3.17: Diagrama de classes do servidor Web. 32
33 3.11 Protocolo de comunicação A comunicação utilizada entre a estação meteorológica e o servidor Web é do tipo cliente/servidor. A Estação meteorológica se conecta ao servidor remoto via socket com o protocolo de comunicação UDP. O cliente tem um determinado código e senha que permite apenas a estação a enviar informações para o servidor, além de identificá-la. Para separar as informações das estações um padrão de recebimento de dados foi criado. Dentro deste padrão existem quatro tipos de pacotes: - Autenticação: a estação envia um pacote com o nome de usuário e senha e recebe um pacote contendo configurações. Caso os dados fornecidos estejam corretos ou recebe um pacote de erro de autenticação. - Pacote de configurações: este pacote é enviado ao cliente quando há sucesso na autenticação. Nele há informações referentes às configurações da estação como: câmera ativada/desativada, intervalo de transmissão de pacotes, tamanho e compressão de imagem. - Informações dos sensores: o cliente envia um pacote com as informações dos sensores e recebe um pacote informando se as informações foram salvas corretamente. - Foto: para o cliente enviar uma foto para o servidor é necessário enviar vários pacotes, visto que o tamanho da imagem na menor resolução utilizada é de 3 kilobytes e na resolução máxima chega a 49 kilobytes. O modelo de pacote é apresentado na Figura 3.18. Figura 3.18: Padrão de pacote de dados. O primeiro campo contém um identificador, seguido de informações de login e senha. O quarto pacote contém data e hora da informação, seguido de flags indicando os sensores ativos, sensores 1-Wire e por fim informações provenientes do anemômetro, barômetro, sensores de temperatura e umidade. Sempre que a estação envia um pacote ao servidor UDP, recebe um pacote informando se houve sucesso ou erro. Este padrão só é alterado no caso do recebimento de um pacote de autenticação, situação em que o servidor retorna um pacote de configuração caso haja sucesso na autenticação. 3.12 Custos O custo geral do projeto mostra que há viabilidade comercial para a estação meteorológica, porém muitos dos componentes utilizados são vendidos apenas no exterior, acarretando em altas taxas de frete e importação. Estas taxas podem ser