Avaliação de hardware livre como infraestrutura de monitoração via

Avaliação de hardware livre como infraestrutura para monitoração via
Internet de estufas agrícolas
Aurelio Hiroshi Ozawa1, Luciano José Senger2
1
Departamento de Informática, Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa,
Paraná, Brasil, [email protected]
2
Departamento de Informática, Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa Paraná,
Brasil, [email protected]
RESUMO
O Arduino é um dispositivo de baixo custo com licenças de hardware e software abertas,
baseado em um microcontrolador com baixo poder de processamento. Neste trabalho ele é
avaliado como alternativa na construção de um sistema de monitoração via internet de estufas
agrícolas. Juntamente com o Arduino, um dispositivo Android também será empregado para
tornar mais prático a interface do usuário com o sistema.
PALAVRAS-CHAVE: Arduino, Sistemas Web, Android.
INTRODUÇÃO
Estufas agrícolas permitem alterar a velocidade de crescimento e desenvolvimento de
cultivares através da criação de um ambiente com condições climáticas controladas.
Temperatura, umidade, dióxido de carbono (CO2) e a radiação solar são variáveis que podem
ser manipuladas por meio de uma estufa, a fim de guiar o crescimento de um cultivar para se
chegar a algum objetivo específico. Como exemplo, pode-se citar cultivares que impõem suas
próprias restrições nas faixas de variação das condições climáticas, de forma que temperaturas
abaixo de um nível mínimo as mudas param de crescer e com temperaturas acima de um nível
máximo danos irreversíveis são causados. Assim, é muito importante para alcançar as
condições climáticas internas (pontos definidos) na sequência de uma trajetória apropriada, o
que leva as mudas a partir de um estado inicial a um estado final desejado minimizando um
índice pré-definido (ou função de custo). No uso de estufas agrícolas, é interessante que haja
um controle rigoroso de tais variáveis, afim de que o objetivo seja alcançado (HE et al.,
2010).
Tecnologias de computação para monitoração e controle de estufas agrícolas têm sido
empregadas em diversos países, mesmo onde condições ambientais não são proibitivas para o
desenvolvimento de plantas, como é caso do Brasil. Tecnologias de hardware e software são
usadas para diferentes aplicações, dentre elas, o controle do clima, expresso pelas variáveis
temperatura, umidade, iluminação e dióxido de carbono são mais comuns, pois afetam
diretamente a velocidade de crescimento e desenvolvimento de culturas.
Diversas tecnologias têm sido adotadas para a implementação dos elementos de
controle e monitoração de estufas agrícolas, dentre elas se destacam microcontroladores e
computadores simples e dedicados. Da mesma forma, redes de sensores são implementadas
com o uso de protocolos comuns da indústria, entre eles o RS-432 e o protocolo CAN,
comum da indústria automobilística. Mais recentemente, sistemas baseados em redes de
comunicação sem fio têm sido empregados para coleta de informações (JANOS;
MATRINOVIC, 2009). Neste cenário, trabalhos têm sido direcionados para melhorar o
registro dos dados e determinação da forma de monitoramento climático. Além disso, com a
disseminação de sistemas distribuídos e de computação em nuvem, torna-se importante que o
hardware e software permitam não apenas a monitoração e controle locais, e sim a
possibilidade de monitoração e controle remotos de estufas agrícolas.
O objetivo deste trabalho é avaliar o uso de hardware livre compatível com Arduino
como alternativa para a monitoração de estufas agrícolas via internet. A hipótese principal a
ser testada é verificar se tal hardware pode ser empregado para a coleta de informação de
sensores e distribuir informações sobre as condições climáticas de estufas agrícolas através da
Internet.
MATERIAL E MÉTODOS
O núcleo principal do sistema de monitoração de estufas via internet desenvolvido neste
trabalho emprega o hardware livre Arduino Uno, um dispositivo composto por um
microcontrolador ATmega328 operando em uma frequência de operação de 16MHz e
possuindo 32KB de memória flash para gravação do firmware. A implementação do
algoritmo para o Arduino é na linguagem C++ utilizando o software Arduino Software (IDE).
No protótipo, um módulo de interface de rede padrão Ethernet com capacidade de
armazenamento em cartão digital chamado de Ethernet Shield é conectado ao Arduino Uno,
este modulo possui um chip controlador da família WIZnet que possibilita a interface com a
internet por meio de um cabo padrão RJ45.
Para a coleta de dados do ambiente utilizou-se de sensores, que são acionados em
intervalos programáveis de tempo, capazes de coletar dados de temperatura, umidade e
luminosidade. Para a aquisição dos dados de temperatura e umidade é utilizado o DHT11, um
sensor de baixo custo que se comunica com o protótipo por meio de um barramento único de
comunicação. A luminosidade do ambiente é obtida utilizando um LDR, um resistor que varia
sua resistência conforme a intensidade da luz que incide sobre ele.
Os dados coletados são registrados no cartão digital, junto com informações de data e
hora que são fornecidas por um modulo DS1307; um relógio de tempo real (RTC) que
mantem o controle do tempo presente. Este modulo possui uma fonte de alimentação
alternativa, podendo manter a contagem do tempo mesmo se a fonte de alimentação principal
estiver indisponível.
Para a interface com a internet o protótipo cria um servidor Web capaz de receber
solicitações dos registros por data, e assim que solicitado, o protótipo envia os registros de
dados para o usuário via internet.
As requisições dos dados podem ser feitas por um aplicativo para dispositivos moveis
com o Sistema Operacional Android. O aplicativo foi desenvolvido para conceder ao usuário
um modo pratico de realizar a leitura dos dados obtidos.
A figura 1 mostra a prototipação básica do circuito e a ilustração de seus componentes.
O Arduino na realidade se encontra sob o Ethernet Shield, sendo mostrado na figura para
ilustração do componente.
Figura 1- Prototipação do Circuito
Fonte: (Prototipação utilizando a ferramenta Fritzing, 2015)
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Com a construção do protótipo de baixo custo e funcional, foi possível concluir a hipótese
principal de verificar a compatibilidade do dispositivo padrão Arduino na aquisição de dados
de sensores e fornecimento dos mesmos via internet.
Um dos principais obstáculos na construção do protótipo foi a limitação com relação a
memória para o firmware de 32KB, para a quantidade de sensores utilizada neste protótipo a
quantidade disponível foi suficiente. No entanto, para adição de mais sensores ou outros tipos
de sensores, seria necessário a utilização de um modelo Arduino com mais recursos.
A facilidade na construção do protótipo é bastante relevante, a utilização de uma
linguagem de alto nível e a grande comunidade de hardware e software do Arduino são
fatores que agilizaram bastante a implementação do firmware para o protótipo.
CONCLUSÕES
Por meio do protótipo obtido neste trabalho foi possível obter um panorama da capacidade do
Arduino Uno para aquisição de dados para monitoração de uma estufa.
O controle remoto da estufa seria facilmente adaptado a este protótipo trabalhos
futuros, porém seria recomendado o uso de um dispositivo Arduino com um microcontrolador
de maior poder de processamento e memória.
REFERÊNCIAS
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on ZigBee Wireless Sensor Networks Frontier of Computer Science and Technology (FCST),
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JANOS, S. & MARTINOVIC, G. Web based distant monitoring and control for greenhouse
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JIN, Y.; YANG, J. Design an Intelligent Environment Control System for GreenHouse Based
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YUQUAN, M.; SHUFEN, H; LIHONG, Z.; A control system of environment parameters of
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