GILMAR ITSUO MATSUI WILSON FAVERÃO
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CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA FACULDADE DE TECNOLOGIA DE LINS PROF. ANTÔNIO SEABRA CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM BANCO DE DADOS GILMAR ITSUO MATSUI WILSON FAVERÃO PROTÓTIPO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DE NÍVEL DE RESERVATÓRIO DE ÁGUA LINS/SP 2º SEMESTRE 2014
Transcript of GILMAR ITSUO MATSUI WILSON FAVERÃO
CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE LINS PROF. ANTÔNIO SEABRA CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM BANCO DE DADOS
GILMAR ITSUO MATSUI
WILSON FAVERÃO
PROTÓTIPO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DE NÍVEL DE RESERVATÓRIO DE ÁGUA
LINS/SP 2º SEMESTRE 2014
CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE LINS PROF. ANTÔNIO SEABRA CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM BANCO DE DADOS
GILMAR ITSUO MATSUI
WILSON FAVERÃO
PROTÓTIPO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DE NÍVEL DE RESERVATÓRIO DE ÁGUA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Faculdade de Tecnologia de Lins para obtenção
do Título de Tecnólogo em Banco de Dados.
Orientador: Prof. Me. Alexandre Ponce de Oliveira.
LINS/SP 2º SEMESTRE/2014
GILMAR ITSUO MATSUI
WILSON FAVERÃO
PROTÓTIPO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DE NÍVEL DE RESERVATÓRIO
DE ÁGUA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Faculdade de Tecnologia de Lins para obtenção
do Título de Tecnólogo em Banco de Dados.
Orientador: Prof. Me. Alexandre Ponce de Oliveira.
DATA DA APROVAÇÃO: ____/____/_____
__________________________________ Orientador ()
__________________________________ Examinador 1 ()
__________________________________ Examinador 2 ()
Aos meus pais, Hiroshi
Matsui e Fukie Matsui pela dedicação e pela
formação que conseguiram me dar. A minha
esposa Rosaria e aos meus filhos Pamela e Lucas
pelo apoio, compreensão e incentivo.
Gilmar Itsuo Matsui.
AGRADECIMENTOS
Mais uma etapa importante está se concluindo, agradeço a Deus por não ter
permitido que eu não desanimasse ou desistisse.
Ao colega Alex Barbosa por ter compartilhado seus conhecimentos.
Ao professor orientador Me. Alexandre Ponce de Oliveira, pelo auxílio,
disponibilidade de tempo, paciência e dedicação, que tornaram possível a conclusão
desta monografia.
Aos professores Me. Mario Henrique Pardo e Me. Júlio Fernando Lieira, pela
ajuda nos esclarecimentos de dúvidas na programação.
A professora Me. Adriana de Bortoli pela paciência e ajuda nas correções do
trabalho.
A todos os professores do curso, que foram tão importantes em nossa vida
acadêmica. Aos amigos e colegas, pelo incentivo e pelo apoio.
Nossos sinceros agradecimentos a todos aqueles que de alguma forma
doaram um pouco de si para que a conclusão deste trabalho se tornasse possível.
Gilmar Itsuo Matsui e
Wilson Faverão.
RESUMO
O protótipo de um sistema de monitoramento de reservatório de água consiste em monitorar os níveis de um reservatório de água, a maioria dos sistemas de automação de reservatório de água não há monitoramento por falta de investimento no sistema, esta falta de controle pode comprometer o funcionamento dos reservatórios. A proposta deste trabalho foi construir um protótipo que se fundamenta em três características principais: (i) módulo transmissor que recebe do sensor o nível do reservatório de água e o envia por Rádio Frequência (RF), e tem como componente principal uma placa Arduino UNO; (ii) módulo receptor que recebe os dados enviados do módulo transmissor, mostra os dados em uma tela de LCD e os envia para a porta serial do computador para um software de supervisão, e utiliza uma placa de desenvolvimento Arduino UNO; (iii) software de supervisão desenvolvido com o uso da linguagem Java. Os testes realizados foram entre o módulo transmissor e o módulo receptor com a finalidade no ajuste de comunicação entre os módulos; e nas funcionalidades do software de supervisão para verificação dos dados enviados entre os módulos. O trabalho também apresentou os conceitos relacionados à automação e eletrônica, e também os conceitos sobre o hardware Arduino e seu potencial uso na área de automação. Palavras chaves: Monitoramento. Níveis de Reservatório. Rádio Frequência. Arduino.
ABSTRACT The prototype of a system to monitor a water reservoir consists in monitoring the water reservoir levels, most automation system of water tank there is not monitoring because of the absence at system investment, this lack of control can implicate the functioning of the reservoir. The aim of this study was building a prototype, which is based on three main characteristics: (i) transmitter module which receives from the sensor the level of water tank and sends it by Radio Frequency (RF), and the main component is a microcontroller from Arduino UNO; (ii) receiver module that receives data from the transmitter module, it displays the data on a LCD and sends through the computer serial port to a supervisory software and uses an Arduino UNO board development; (iii) supervisory software developed using Java language. The tests performed were between transmitter module and receiver module for the purpose of adjusting communication between modules, and supervisory software functionalities for data verification send between the modules. The study also presented the concepts related to automation and electronics, and also concepts about the Arduino hardware and its potential use in automation Keywords: Monitoring. Reservoir levels. Radio Frequency. Arduino.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1 - Estrutura do Átomo. ............................................................................... 26
Figura 1.2 - Representação das cargas. ................................................................... 27
Figura 1.3 - Campo eletrostático. .............................................................................. 27
Figura 1.4 - Ddp aplicada no fio produz a corrente. .................................................. 28
Figura 1.5 - Forma de onda de corrente e tensão (CC). ........................................... 29
Figura 1.6 - Forma de onda de tensão e corrente (CA). ............................................ 29
Figura 1.7 - Resistores fixo de porcelana e de fio. .................................................... 31
Figura 1.8 - Resistor de filme de carbono. ................................................................ 32
Figura 1.9 - Fórmula matemática da lei de ohm. ....................................................... 32
Figura 1.10 - Cálculo da corrente. ............................................................................. 32
Figura 1.11 - Cálculo da tensão. ............................................................................... 33
Figura 1.12 - Cálculo da resistência. ......................................................................... 33
Figura 1.13 - Detalhes de um capacitor. ................................................................... 34
Figura 1.14 - Capacitor de cerâmica. ........................................................................ 34
Figura 1.15 - Capacitor eletrolítico de Alumínio e tântalo. ......................................... 34
Figura 1.16 - Regulador TO - 220. ............................................................................ 35
Figura 1.17 - Regulador TO - 3. ................................................................................ 35
Figura 1.18 - Circuito regulador de Tensão. .............................................................. 36
Figura 1.19 - Led. ...................................................................................................... 37
Figura 1.20 - Led RGB. ............................................................................................. 37
Figura 1.21 - Tipo e tensão de ruptura de um diodo. ................................................ 38
Figura 1.22 - Cristal de Quartzo de 16 MHz. ............................................................. 39
Figura 1.23 - Sistema de Telemetria. ........................................................................ 40
Figura 1.24 - Enlace ideal para rádio de telecomando. ............................................. 41
Figura 1.25 - Diagrama de bloco de transmissão e recepção por RF. ...................... 42
Figura 2.1 - Diagrama de processamento do arduino. .............................................. 43
Figura 2.2 - Esboço dos componentes da placa arduino. ......................................... 44
Figura 2.3 - Placa Arduino BT. .................................................................................. 45
Figura 2.4 - Placa Arduino Due. ................................................................................ 46
Figura 2.5 - Placa do Arduino Fio. ............................................................................. 47
Figura 2.6 - Adaptador FTDI – Breakout da Sparkfunr. ............................................. 48
Figura 2.7 - Cabo FTDI. ............................................................................................ 48
Figura 2.8 - Placa do Arduino Yún. ........................................................................... 49
Figura 2.9 - Detalhes da placa do Arduino Yún. ........................................................ 50
Figura 2.10 - Placa do Arduino Ethernet sheild. ........................................................ 50
Figura 2.11 - Placa do Arduino GSM shield. ............................................................. 52
Figura 2.12 - Detalhe do cartão SIM. ........................................................................ 53
Figura 2.13 - Placa do Arduino Tela TFT. ................................................................. 53
Figura 2.14 - Placa do Arduino Wireless shield. ........................................................ 54
Figura 2.15 - interruptor no Arduino Wireless Shields. .............................................. 55
Figura 2.16 - Placa do Arduino WiFi Shields. ............................................................ 55
Figura 2.17 - Placa Arduino Uno. .............................................................................. 56
Figura 2.18 - Detalhes dos componentes da placa Uno. ........................................... 57
Figura 2.19 - Windows não reconhece driver. ........................................................... 58
Figura 2.20 - Janela Sistema. .................................................................................... 58
Figura 2.21 - Janela Gerenciador de Dispositivo. ...................................................... 59
Figura 2.22 - Janela Atualizar Driver. ........................................................................ 59
Figura 2.23 - Janela Procurar Pasta. ......................................................................... 60
Figura 2.24 - Janela Atualizar Driver. ........................................................................ 60
Figura 2.25 - Verificar a porta COM3 na IDE Arduino. .............................................. 61
Figura 2.26 - Selecionar a placa instalada. ............................................................... 61
Figura 2.27 - Programa no IDE Arduino para piscar um Led..................................... 62
Figura 2.28 - Controles do IDE Arduino. ................................................................... 62
Figura 2.29 - Diagrama de bloco do ATmega328P. .................................................. 64
Figura 2.30 - Mapeamento da pinagem do ATmega328P. ........................................ 65
Figura 2.31 - Interface do Fritzing. ............................................................................ 66
Figura 2.32 - Interface do menu de componentes. .................................................... 66
Figura 2.33 - Montagem dos componentes na protoboard. ....................................... 67
Figura 2.34 - Esquematizar os componentes. ........................................................... 67
Figura 2.35 - Criar o PCB. ......................................................................................... 68
Figura 3.1 - Projeto do Sistema de monitoramento de nível de reservatório. ............ 69
Figura 3.2 - Módulo transmissor, envio de dados ao sensor. .................................... 70
Figura 3.3 - Transmissor 433 MHz. ........................................................................... 70
Figura 3.4 - Degraus da conversão de 10 bits........................................................... 71
Figura 3.5 - Entrada analógica pino 23 do ATmega 328 ........................................... 71
Figura 3.6 - Teste de 10 mA na entrada analógica. .................................................. 72
Figura 3.7 - Teste de 4 mA na entrada analógica. .................................................... 72
Figura 3.8 - Teste de 20 mA na entrada analógica ................................................... 73
Figura 3.9 - Estrutura do programa na IDE Arduino. ................................................. 73
Figura 3.10 - Parte inicial do programa do módulo transmissor. ............................... 74
Figura 3.11 - Sketch e tela do Serial Monitor. ........................................................... 75
Figura 3.12 - Parte final do programa da placa transmissora. ................................... 76
Figura 3.13 - Esquema do Arduino Uno na protoboard. ............................................ 77
Figura 3.14 - Receptor de 433 MHz .......................................................................... 77
Figura 3.15 - Sketch parte a do Módulo receptor. ..................................................... 78
Figura 3.16 - Scketch parte b do Módulo receptor. ................................................... 79
Figura 3.17 - Sketch parte c Módulo receptor. .......................................................... 80
Figura 4.1 - Caso de Uso Reservatório. .................................................................... 81
Figura 4.2 - Diagrama de Classe. .............................................................................. 82
Figura 4.3 - Diagrama de Modelagem de Entidade Relacionamento. ....................... 82
Figura 4.4 - Tela de Login para acesso ao sistema. .................................................. 83
Figura 4.5 - Tela Principal do Sistema. ..................................................................... 83
Figura 4.6 - Tela dos subitens Reservatório Elevados. ............................................. 84
Figura 4.7 - Tela de Monitoramento de Nível. ........................................................... 84
Figura 4.8 - Tela de Monitoramento de Nível com Alerta. ......................................... 85
Figura 4.9 - Tela subitem Data do Menu Relatórios. ................................................. 85
Figura 4.10 - Tela de Gerar Relatório por data. ......................................................... 85
Figura 4.11 - Tela de Relatório por Data. .................................................................. 86
Figura 4.12 - Menu Cadastrar. .................................................................................. 86
Figura 4.13 - Tela Cadastrar Usuário. ....................................................................... 87
Figura 4.14 - Tela de Cadastrar Reservatório. .......................................................... 87
Figura 4.15 - Tela Cadastrar Sensor. ........................................................................ 88
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Exemplo de IP no arduino. .................................................................... 51
LISTA DE QUADROS
Quadro 1.1 - Unidades do sistema métrico Internacional .......................................... 30
Quadro 1.2 - Unidades Suplementares do SI. ........................................................... 30
Quadro 1.3 - Unidades Derivadas do SI. ................................................................... 30
Quadro 1.4 - Mostra os prefixos mais utilizados em eletricidade. ............................. 31
Quadro 1.5 - Reguladores de tensão. ....................................................................... 36
Quadro 1.6 - Designação das bandas de frequência. .............................................. 41
LISTAS DE ABREVIATURAS E SIGLAS
, A - Ampére, corrente elétrica +Q - Carga positiva
µA - Microamperes
A - Ampére, corrente elétrica
a.C - Antes de Cristo
AC - Alternate current
AM - Amplitude modulada
AVR - Microcontrolador Atmel AVR com suporte I/O embutido
AVR Libc - Projeto de Software Livre
BAT - Battery
BT - Bluetooth
C - Coulomb, carga elétrica
CA - Corrente alternada
Cat5 e 6 - Modelo de cabo para rede
CC - Corrente contínua
CD - Candela, intensidade luminosa
CDC - Communication devide class
CI - Circuito integrado
CPU - Central processing unit
dB/m - Atenuação
DC - Direct Current
DDP - Diferença de Potencial
DDR2 - Double Data Rate 2
DVD - Disco Digital Versátil
EEPROM - Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory
EHF - Extremely high frequency
ETELJ - Empresa de telecomunicação Ltda de Jales
F - Farad, capacitância elétrica
FAT - File Allocation table
FEM - Força eletromotriz
FM - Frequência Modulada
FTDI - Future Technology devides international
GND - Ground
GNU - GNU's Not Unix
GPRS - General packet radio service
H - Henry, indutância elétrica
HF - High frequency
Hz - Hertz, frequência
I, IN - Input
IC2 - Inter integrated circuit
ICSP - In circuit serial programming
IDE - Integrated Development Environment
IDII - Interaction Design Institute Ivrea
IEEE - Institute of Electric and Electronic Engineers
IP - Internet protocol
ISP - In system programador
J - Joule, energia
K - Kelvin, temperatura termodinâmica
K - Kilo
KB - Kilobyte
Kg - Quilograma, massa
KM - Kilometro
KΩ - Kilohm
LAN - Local Area Network
LCD - liquid crystal display
LED - Diodo emissor de luz
LF - Low frequency
LLC - Logical Link Control
M - Metro, comprimento
M - Mega
M - Mili
M2M - Máquina para máquina
mA - Miliampere
MCU - Computador num chip
MER - Modelagem de entidade e relacionamento
MF - Medium frequency
MHz - Megahertiz
MIPS - Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages
MIT - Massachusetts Institute of Technology
MOL - Molar, quantidade de matéria
MVPP - Mili volt de pico a pico
N - Newton, força
N - Nano
O, ON - Output
P - Pico
PCB - Printed Circuit Board
PCI - Placa circuito impresso
Pinout - Pin out
PLC - Phase locked control
PM - Modulated phase
PoE - Power over ethernet
PPS - Poço profundo subterrâneo
PWM - Pulse width modulation −Q - Coulomb negativo, Carga negativa
Q,C - Carga
R - Resistência
RAD - Radiano, ângulo plano
RAM - Random Access memory
rd/m - Deslocamento de fase
RF - Rádio frequência
RGB - Vermelho – verde - azul
Rj45 - Conector para rede
RX - Receive
S - Segundo, tempo
S - Siemens, condutância elétrica
SCL - Serial clock
SD - Secure digital
SDA - Serial data
Seg, T - Segundo, tempo
SGM - Groupe Special Mobile
SHV - Super high frequency
SI - Systéme Internationale
SMS - Short message service
SPI - Serial peripheral interface
SR - Esferorradiano, ângulo sólido
SRAM - Static Random Access Memory
T - Tesla, densidade de fluxo magnético
TCP - Transmission control protocol
TFT - Thin film transistor
TX, TLL - Transmission
UART - Universal Asynchronous Receiver ransmitter
UDP - User datagram protocol
UHF - Ultra high frequency
USB - Universal serial bus
UTE 2000 - Modelo de rádio
V - Volt, potencial elétrico
VDC - Voltage direct Current
VIN - Tensão de entrada
VLH - Very low frequency
W - Watt, potência
Wb - Weber, fluxo magnético
WEP - Wired equivalent privacy
WPA2 - Wifi protected Access 2
Zo - Impedância
Ω - Ohm, resistência elétrica
LISTA DE SÍMBOLOS
α - Alfa
@ - Arroba
β - Beta
µ - Micro
Ω - Ômega
% - Porcentagem
ζ - Zeta
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ............................................................................ 19
1 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ................................................... 21
1.1 DEFINIÇÃO E CONCEITO ....................................................................... 21
1.2 AUTOMAÇÃO E MÃO DE OBRA ............................................................. 22
1.3 AUTOMAÇÃO E CONTROLE .................................................................. 22
1.4 GRAU DE AUTOMAÇÃO ......................................................................... 23
1.4.1 Ferramentas Manuais ............................................................................ 23
1.4.2 Ferramentas Acionadas ......................................................................... 23
1.4.3 Quantificação da Energia ....................................................................... 23
1.4.4 Controle Programado ............................................................................. 24
1.4.5 Controle com Realimentação Negativa .................................................. 24
1.4.6 Controle da Máquina com Cálculo ......................................................... 24
1.4.7 Controle Adaptativo ............................................................................... 24
1.5 AUTOMAÇÃO E ELETRÔNICA................................................................ 24
1.6 CONCEITOS BÁSICOS DE ELETRICIDADE E ELETRÔNICA ............... 25
1.6.1 Átomo .................................................................................................... 25
1.6.2 Leis das Cargas Elétricas ...................................................................... 26
1.6.3 Campo Eletrostático ............................................................................... 27
1.6.4 Tensão Elétrica ...................................................................................... 27
1.6.5 Corrente ................................................................................................. 28
1.6.6 Fluxo de Corrente .................................................................................. 28
1.6.7 Corrente e Tensão Continua .................................................................. 28
1.6.8 Corrente e Tensão Alternada ................................................................. 29
1.6.9 Unidade (SI) ........................................................................................... 29
1.6.10 Prefixos Métricos ................................................................................. 30
1.6.11 Resistência .......................................................................................... 31
1.6.12 Lei de Ohm (Ω) .................................................................................... 32
1.6.13 Capacitor ............................................................................................. 33
1.6.14 Regulador de Tensão .......................................................................... 35
1.6.15 Led ....................................................................................................... 36
1.6.16 Diodo Retificador 1N4007 .................................................................... 37
1.6.17 Oscilador de Cristal .............................................................................. 38
1.7 TELEMETRIA ........................................................................................... 39
1.7.1 Aquisição de Dados ............................................................................... 39
1.8 LINHAS DE TRANSMISSÃO .................................................................... 40
1.9 TRANSMISSÃO POR RF ......................................................................... 40
2 ARDUINO ................................................................................. 43
2.1 ARDUINO BT ............................................................................................ 45
2.2 ARDUINO DUE ......................................................................................... 46
2.3 ARDUINO FIO .......................................................................................... 47
2.4 ARDUINO YÚN ......................................................................................... 49
2.5 ARDUINO ETHERNET SHEILD ............................................................... 50
2.6 ARDUINO GSM SHEILD .......................................................................... 52
2.7 ARDUINO TELA TFT ................................................................................ 53
2.8 ARDUINO WIRELESS SHIELD ................................................................ 54
2.9 ARDUINO WIFI SHIELD ........................................................................... 55
2.10 ARDUINO UNO ...................................................................................... 56
2.10.1 Instalação da IDE Arduino no Windows 7 ............................................ 58
2.10.2 Microcontrolador Atmega328P............................................................. 63
2.10.3 Fritzing ................................................................................................. 65
3 PROJETO ................................................................................ 69
3.1 MÓDULO TRANSMISSOR ....................................................................... 70
3.1.1 Entrada Analógica do Atmega 328 ........................................................ 70
3.2 MÓDULO TRANSMISSOR, PARA ENVIO DADOS AO SENSOR. .......... 71
3.2.1 Sketch da Programação do Transmissor ............................................... 73
3.3 MÓDULO RECEPTOR COM ARDUINO UNO ......................................... 76
3.3.1 Sketch do Módulo Receptor (RX) .......................................................... 77
4 IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA DE SUPERVISÃO ............. 81
4.1 DIAGRAMA DE CASO DE USO ............................................................... 81
4.2 DIAGRAMA DE CLASSE .......................................................................... 81
4.3 MER .......................................................................................................... 82
4.4 TELA DE LOGIN ....................................................................................... 83
4.5 MENU PRINCIPAL ................................................................................... 83
4.5.1 Subitens do Menu Reservatório Elevado ............................................... 84
4.5.2 Tela de Monitoramento do Reservatório do Centro ............................... 84
4.5.3 Item do Menu Relatórios ........................................................................ 85
4.5.4 Telas dos Itens do Menu Cadastrar ....................................................... 86
CONCLUSÃO ............................................................................. 89
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................... 90
19
INTRODUÇÃO
Estão bem evidentes os benefícios da automação e sua aplicação cada vez
mais solicitada em qualquer área seja residencial, comercial ou industrial.
Na maioria das cidades da região de Lins a água é retirada de poços para o
abastecimento chamado de Poço Profundo Subterrâneo (PPS), muitos deles ficam
em um local bem afastado destes reservatórios.
Na automação destes reservatórios utiliza-se um equipamento chamado de
rádio de telecomando, que é composto por um transmissor e um receptor, o
transmissor é instalado no reservatório e envia por rádio frequência um comando,
como por exemplo, de ligar ou desligar a bomba de água e o receptor que fica no
poço recebe este comando e enviando-o para a bomba de água ligar ou desligar,
este equipamento só tem esta funcionalidade como se fosse um interruptor liga e
desliga que é acionada remotamente via rádio frequência (RF).
Em virtude da falta de recursos financeiros para melhorar o sistema, que
atualmente esta limitada a fazer somente uma operação básica para ligar e desligar
a bomba que abastece o reservatório pode acarretar problemas caso ocorra alguma
falha no abastecimento do reservatório realizado pelo rádio de telecomando ou pelas
boias de níveis instaladas no reservatório, por exemplo, falta de água que será
percebida somente quando houver reclamação por parte dos consumidores pela
falta de água nas torneiras, transbordamento do reservatório ou rompimento da
tubulação que acarreta em desperdício de água.
Para minimizar as possíveis falhas, este projeto teve como objetivo o
desenvolvimento de um protótipo de um sistema de monitoramento de nível de
reservatório de água para isso foi desenvolvido um software de supervisão que
monitora os níveis do reservatório, também foi utilizado dois hardware Arduino UNO,
um instalado no reservatório que faz a leitura do nível com o uso de sensor de
pressão e depois envia por rádio frequência (RF) pelo rádio de telecomando e outra
para a recepção dos dados que mostra os níveis em um Liquid Cristal Display (LCD).
Tais informações também são enviadas para um computador pela porta serial para
ser visualizado no sistema de supervisão.
Os dados coletados pelos sensores são gravados em um banco de dados e
tais informações podem ser usadas para análises do comportamento do consumo
20
dos usuários e assim realizar manutenções preventivas ou identificar horários de
maior consumo.
O usuário conectado no sistema de supervisão pode realizar o monitoramento
através de telas específicas para cada reservatório e a gravação dos níveis no
banco de dados é feita de forma automática a cada cinco minutos, o usuário pode
gerar relatórios e efetuar o cadastro de reservatórios, sensores e usuários.
A estrutura deste trabalho esta dividida em quatro capítulos:
O primeiro capítulo trata de conceitos teóricos sobre automação industrial, da
eletricidade e da eletrônica, que é importante para entender o funcionamento básico
dos hardwares dos módulos de transmissão e recepção.
O segundo capítulo é descrito os vários hardwares e modelos já
desenvolvidos, e suas utilizações, exemplos de programação, datasheets e
funcionalidades.
Por fim o terceiro e quarto capítulo descrevem o desenvolvimento do protótipo
do sistema de monitoramento de nível de reservatório de água, detalhes dos
hardwares, software dos microcontroladores e do sistema de supervisão, figuras dos
testes realizados nos hardware, e os resultados obtidos.
21
1 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Neste capítulo são abordados conceitos sobre a história da Automação que
significa mover-se por si, através da aplicação de técnicas computadorizadas ou
mecânicas para diminuir o uso da mão de obra em qualquer processo, com a
finalidade de diminuir custos e aumentar a produtividade na indústria, a importância
da automação nos processos produtivos e as várias fases da automação industrial.
Segundo Groover (2011) os dispositivos mecânicos que estão relacionados à
história da automação são eles: roda (3.200 a.C.), alavanca e guincho (600 a.C.),
came (por volta do ano 1000), parafuso (1405) e as engrenagens nos tempos
antigos e medievais. Esses dispositivos foram refinados e utilizados na construção
dos mecanismos presentes: em rodas hidráulicas, moinhos de vento e máquinas a
vapor. A energia gerada por essas máquinas era o suficiente para a operação de
diferentes tipos de maquinário, como: moinhos de farinha (por volta de 85 a.C.),
teares (lançadeira volante, 1733), máquina-ferramenta (mandrilhadora, 1775), barco
a vapor (1787) e locomotivas (1803).
Segundo Capelli (2008) na segunda metade do século XVIII, na Inglaterra
teve início a revolução industrial com a mecanização dos processos de produção,
aonde marcou o fim do feudalismo e deu início ao sistema capitalista. Portanto, na
Idade Média a produção era artesanal. Isto mudou na Idade Moderna, a burguesia
industrial sedenta por mais lucros e maior produtividade a custos baixos, buscou
meios para aumentar a eficiência da produção. Outro fator predominante que
acelerou a revolução industrial foi o crescimento populacional, que ocasionou o
aumento da demanda por produtos e mercadorias.
De acordo com Silveira e Lima (2013) no ano de 1909, Henry Ford (1863 -
1947) revolucionou a maneira de pensar a indústria contemporânea com um projeto
inovador que foi o marco da automação industrial. Com a implantação da “linha de
montagem”, trouxe novos conceitos para a indústria, como: a montagem em série de
forma a produzir em massa em menos tempo e a um custo menor com a produção
em série, estoques intermediários, etc.
1.1 DEFINIÇÃO E CONCEITO
A automação pode ser definida como a tecnologia por meio da qual um
processo ou procedimento é alcançado sem assistência humana, que utiliza um
22
programa de instruções combinada a um sistema de controle que executa as
instruções.(GROOVER, 2011)
Segundo Ribeiro (2001) automação é a substituição do trabalho manual ou de
tração animal por uma máquina. Logo, automação da ideia da aplicação da potência
elétrica ou mecânica auxiliada por algum tipo de inteligência, que instalada a uma
máquina na execução de uma tarefa de maneira eficiente que proporcione vantagem
econômica e de segurança.
As limitações no uso de máquinas são: capacidade limitada de tomar
decisões; para controlar uma operação deve ser programada ou ajustada; para
garantir a exatidão nominal é necessário ser calibrada periodicamente; e para
manter a precisão nominal precisa de manutenção eventual.
1.2 AUTOMAÇÃO E MÃO DE OBRA
A automação pode ter reduzido drasticamente a mão de obra empregada,
mas ainda requer de um funcionário especializado que supervisione o
funcionamento da máquina na execução dessa tarefa. Uma empresa que não seja
automatizada eventualmente não será economicamente competitiva junto às outras
devido à baixa produtividade, na qual será levada a demitir ou até mesmo encerrar
as atividades.(RIBEIRO, 2001)
Portanto a automação nas indústrias tem um papel muito importante no
processo produtivo, como: no aumento de produtividade, ganho em eficiência e
economia.(RIBEIRO, 2001)
1.3 AUTOMAÇÃO E CONTROLE
A automação esta ligada com a instrumentação e são utilizados diferentes
instrumentos na automação, sendo que historicamente o primeiro termo empregado
de instrumentos na automação foi o controle automático de processos com as
funções de medir, transmitir e comparar para se chegar a um produto desejado com
pouca ou nenhuma ajuda humana.(RIBEIRO, 2001)
Com o aumento da complexidade dos processos, exigências de
produtividade, segurança e proteção do meio ambiente, e além do controle
automático de processo, se viu a necessidade em monitorar esse controle
23
automático, através de um sistema de instrumentação, com funções predominantes
de detecção, comparação, alarme e atuação lógica. (RIBEIRO, 2001)
1.4 GRAU DE AUTOMAÇÃO
Pode se classificar os graus de automação industrial em várias fases como:
as ferramentas manuais, as ferramentas acionadas, a quantificação da energia, o
controle programado, o controle com realimentação negativa, o controle da máquina
com cálculo, o controle lógico da máquina, o controle adaptativo, o controle indutivo,
a máquina criativa.(RIBEIRO, 2001)
1.4.1 Ferramentas Manuais
Ferramentas como a pá, o machado, o martelo, a serra, entre outras. Como
mostrado este nível não envolve nenhum tipo de automação, pois não há máquina
envolvida. Para indústria esse processo está relacionado em aquecer a água em
uma caldeira com abertura manualmente da válvula, misturar com espátulas,
etc.(RIBEIRO, 2001)
1.4.2 Ferramentas Acionadas
Com a energização das ferramentas manuais foi chamada de Revolução
Industrial. A serra se tornou elétrica, graças à energia suprida através do vapor
d’água. A indústria passou a utilizar o motor elétrico no acionamento de um agitador,
a utilização de bombas para alimentação.(RIBEIRO, 2001)
1.4.3 Quantificação da Energia
A medição tornou-se parte do processo, com isso a indústria passou a utilizar
um medidor de quantidade na bomba a fim de indicar o volume adicionado a um
reator. A utilização de indicador na medição como: um cronômetro para medir o
tempo de agitação, um termômetro para indicar o fim da reação passou a ajudar
muito a um operador a determinar o status em um processo a ser
executado.(RIBEIRO, 2001)
24
1.4.4 Controle Programado
As operações passaram a serem automáticas através de máquina segue um
programa predeterminado, para executar uma série de operações, que resultará em
uma peça acabada. Um exemplo seria adicionar uma chave no medidor de vazão a
fim que dispare um sinal sonoro para que se desligue a bomba quando certa
quantidade de água for adicionada no reator.(RIBEIRO, 2001)
1.4.5 Controle com Realimentação Negativa
Nesta fase se desenvolveu um sistema que utiliza da medição para corrigir
um processo em uma máquina. Com sua aplicação na indústria química, o controle
a realimentação negativa deu início ao controle automático. Baseado na medição da
vazão, a temperatura é utilizada para controlar a válvula de vazão que ajusta a
quantidade de vapor adicionado ao um reator.(RIBEIRO, 2001)
1.4.6 Controle da Máquina com Cálculo
A automação passou a utilizar cálculo da medição em vez de realimentar uma
medição para fornecer um sinal de controle, esse cálculo se baseia em algoritmos, o
sinal de saída do controlador é uma função combinada de ações proporcionais em
derivada e integral. Esse é o primeiro nível de automação pelo computador
digital.(RIBEIRO, 2001)
1.4.7 Controle Adaptativo
A máquina passou a corrigir os sinais de controle, ou seja, pode modificar as
condições das variáveis. Um sistema de aquecimento em um edifício que este já
ligado a um termóstato que segue um programa baseado em medições da
temperatura externa. Com o desenvolvimento do sistema digital tornou-se possível o
controle adaptativo.(RIBEIRO, 2001)
1.5 AUTOMAÇÃO E ELETRÔNICA
Com o avanço da eletrônica o desenvolvimento da tecnologia dos
computadores tornou-se possível com o surgimento dos transistores (1948), o disco
rígido para computador em (1956), os circuitos integrados (1960), o
25
microprocessador em (1971), a memória Random Access Memory (RAM) (1984), o
chip de memória com capacidade de milhões de bytes (por volta de
1990).(GROOVER, 2011)
No ano de 1970, era comum em se comparar os instrumentos eletrônicos e
pneumáticos, porém por volta do ano de 2000 a eletrônica microprocessada já era
dominante. O sistema de automação só foi possível pelo avanço da
eletrônica.(RIBEIRO, 2001)
A eletrônica tem um papel muito importante na automação industrial, o
sucesso da automação se deve ao uso da eletrônica microprocessada, que forneceu
sistemas eletrônicos programáveis. Um exemplo, como: as especificações de
posição dos pontos de solda, diâmetro e profundidade dos furos podem ser
alteradas com a mudança dos dados no programa do computador.(RIBEIRO, 2001)
1.6 CONCEITOS BÁSICOS DE ELETRICIDADE E ELETRÔNICA
A eletricidade é a parte da física que estuda os fenômenos que envolvem o
comportamento dos elétrons, dos prótons e nêutrons no átomo associado a cargas
elétricas. A eletricidade pode ser dividida em três partes: a eletrostática que se
refere ao comportamento das cargas elétricas em repouso, o seu estudo abrange os
processos de eletrização, campo elétrico, força eletrostática e potencial elétrico; a
eletrodinâmica é a parte da eletricidade que estuda as cargas elétricas em
movimento, com a corrente elétrica e os componentes de um circuito elétrico, como
por exemplo: capacitores e resistores, já o eletromagnetismo estuda a relação entre
os fenômenos elétricos e magnéticos, como campo magnético produzido por cargas
elétricas em movimento e o campo elétrico produzido pela variação de fluxo
magnético.(TEIXEIRA, 2014)
Eletrônica é o ramo da ciência que estuda e utiliza as variações de
grandezas elétricas para captar, transmitir e processar informações, através dos
circuitos elétricos e eletrônicos constituídos por válvulas termiônicas, dispositivos
semicondutores, como: os transistores e os circuitos integrados.(PHOBOS, 2008)
1.6.1 Átomo
Átomos são partículas muito pequenas que constituem uma matéria, e
matéria é tudo aquilo que ocupa lugar no espaço, átomos são constituídos por
26
partículas subatômicas: elétron, próton e nêutron. Os elétrons são as cargas
negativas (-) da eletricidade, que giram ao redor do núcleo do átomo e os prótons
são as cargas positivas (+) da eletricidade e se concentram no núcleo do átomo, a
quantidade de próton no núcleo determina o número atômico do átomo. No núcleo
também se encontram os nêutrons fundamental para a eletricidade.(SOUZA, 2008)
O átomo esta sempre em equilíbrio em seu estado natural se estiver com os
mesmos números de prótons e elétrons. Quando o elétron e o próton possuir o
mesmo valor absoluto de carga elétrica, isto torna o átomo natural num átomo neutro
devido à anulação das cargas contrarias.(SOUZA, 2008)
Átomo Neutro → Número Elétron = Número de Prótons
A Figura 1.1 representa a estrutura do átomo.
Figura 1.1 - Estrutura do Átomo. Fonte: Souza, 2008, p. 7.
1.6.2 Leis das Cargas Elétricas
A distribuição das cargas positiva e negativa que eram iguais pode deixar de
existir porque alguns átomos são capazes de ceder ou receber elétrons com isso um
corpo passa a ter excesso e outro falta de elétrons, com excesso de elétrons o corpo
passa a ter uma carga com polaridade negativa e com a falta de elétrons polaridade
positiva. Cargas elétricas iguais se repelem e cargas opostas se atraem.(SOUZA,
2008)
A Figura 1.2 demonstra que cargas iguais se repelem e opostas se atraem.
27
Figura 1.2 - Representação das cargas.
Fonte: Souza, 2008, p. 9.
A diferença entre o número de prótons e o número de elétrons que um corpo
tem é a quantidade de carga elétrica que um corpo possui. A letra Q representa a
quantidade de carga elétrica é expresso na unidade COULOMB (C), a carga de 1 ζ =
6,25 x 1018 elétrons, Coulomb negativo (−Q) significa que o corpo possui 6,25 x 1018
mais elétrons que prótons.(SOUZA, 2008)
1.6.3 Campo Eletrostático
A carga elétrica tem uma característica que é a capacidade de exercer uma
força, presente no campo eletrostático que envolve cada corpo carregado. Quando
dois corpos de polaridade oposta estejam um próximo do outro, o campo
eletrostático se concentra na região compreendida entre eles. Na Figura 1.3 é
demonstrada esta situação.(GUSSOW, 1997)
Figura 1.3 - Campo eletrostático. Fonte: Gussow, 1997, p. 6.
1.6.4 Tensão Elétrica
Força eletromotriz (FEM) é a soma das diferenças de potencial de todas as
cargas do campo eletrostático. Tensão ou diferença de potencial (ddp) é a
capacidade de realizar trabalhos ao se forçar os elétrons a se deslocarem, utiliza a
unidade fundamental volt (V).(GUSSOW, 1997)
28
Segundo Mendes (2010) é uma grandeza elétrica também chamada de ddp.
Pode ser medida através de instrumento adequado como o voltímetro.
1.6.5 Corrente
Fluxo ou movimento ordenado dos elétrons é chamado de corrente,
representada pela letra () e sua unidade de medida é o ampére (A). Um ampére de
corrente é definido como um deslocamento de um Coulomb (C) através de um ponto
qualquer de um condutor em um intervalo de tempo de um segundo.(GUSSOW,
1997)
Equação que define a corrente é = Q / T, onde: = corrente, A; Q = carga, C;
e T = tempo, seg.
1.6.6 Fluxo de Corrente
Através da aplicação de um ddp ou tensão de (1,5 V) em um fio de cobre, fará os seus elétrons livres movimentarem-se, essa corrente consiste num movimento ordenado dos elétrons a partir do ponto da carga negativa −Q de uma extremidade do fio através deste até a outra extremidade na carga positiva +Q. A Figura 1.4 ilustra um exemplo desta situação.(GUSSOW, 1997)
Figura 1.4 - Ddp aplicada no fio produz a corrente.
Fonte: Gussow, 1997, p. 9.
1.6.7 Corrente e Tensão Continua
Corrente que passa por um condutor ou circuito somente em um sentido é
chamado de corrente continua (DC ou CC), a razão de ser unidirecional se deve ao
fato da corrente fluir somente em um sentido não muda a sua polaridade como: as
29
baterias e as pilhas. A tensão fornecida por essas fontes de alimentação são
chamadas de tensão de corrente continua.(GUSSOW, 1997)
A Figura 1.5 ilustra as formas de onda da tensão continua e corrente continua.
Figura 1.5 - Forma de onda de corrente e tensão (CC). Fonte: Gussow, 1997, p. 11.
1.6.8 Corrente e Tensão Alternada
Na tensão alternada (CA), a polaridade se inverte em relação ao tempo,
ilustrada pela Figura 1.6(a). A corrente alternada resultante também é invertida
periodicamente, conforme Figura 1.6(b).(GUSSOW, 1997)
Figura 1.6 - Forma de onda de tensão e corrente (CA). Fonte: Gussow, 1997, p. 12.
1.6.9 Unidade (SI)
O sistema métrico internacional utilizado em eletricidade é o Système
Internationale (SI), constituído por sete unidades básicas que são: comprimento,
massa, tempo, temperatura termodinâmica, intensidade luminosa e quantidade de
matéria (Quadro 1.1) e as duas unidades suplementares, o ângulo plano e o ângulo
sólido (Quadro 1.2).(GUSSOW, 1997)
30
Quadro 1.1 - Unidades do sistema métrico Internacional
Grandeza Unidade Fundamental Símbolo
Comprimento Metro m
Massa Quilograma kg
Tempo Segundo s
Corrente elétrica Ampére A
Temperatura termodinâmica Kelvin K
Intensidade luminosa Candela cd
Quantidade de matéria Mole mol Fonte: Gussow, 1997, p. 19.
Quadro 1.2 - Unidades Suplementares do SI.
Grandeza Unidade Fundamental Símbolo
Ângulo plano Radiano rad
Ângulo sólido Esferorradiano sr
Fonte: Gussow, 1997, p. 20.
A partir das unidades fundamentais e suplementares derivam outras
unidades, como por exemplo: as unidades utilizadas em eletricidade, mostradas no
Quadro 1.3.(GUSSOW, 1997)
Quadro 1.3 - Unidades Derivadas do SI.
Fonte: Gussow, 1997, p. 20.
1.6.10 Prefixos Métricos
Algumas unidades elétricas são pequenas ou grandes demais para ser
expressas convenientemente. Para isso utilizam-se prefixos como kilo (K) para
Grandeza Unidade Símbolo
Energia Joule J
Força Newton N
Potência Watt W
Carga Elétrica Coulomb C
Potência elétrica Volt V
Resistência elétrica Ohm Ω
Condutância elétrica Siemens S
Capacitância elétrica Farad F
Indutância elétrica Henry H
Frequência Hertz Hz
Fluxo magnético Weber Wb
Densidade de fluxo magnético Tesla T
31
representar um mil (1.000) ou mega (M) para representar um milhão (1.000.000).
Exemplo de um resistor com o valor de 10.000 ohms (Ω) é igual a 10 kilohms
(10KΩ), para corrente utilizam-se valores milésimos ou milionésimo de ampére. O
prefixo mili (m) é a forma de escrever a milésimos e micro (µ) a forma de escrever
milionésimos. Exemplo de 0,0012 A corresponde a 1,2 miliamperes (mA) e 0,000012
A corresponde a 12 micro amperes (µA).(GUSSOW, 1997)
Quadro 1.4 - Mostra os prefixos mais utilizados em eletricidade.
Prefixos Símbolos Valor
Mega M 1.000.000
kilo k 1.000
Mili m 0,001
Micro µ 0,000.001
Nano n 0,000.000.001
Pico p 0,000.000.000.001
Fonte: Gussow, 1997, p. 21.
1.6.11 Resistência
O oposto do fluxo de corrente é a resistência. Para aumentar a resistência de
um circuito é utilizado um componente elétrico chamado resistor cuja resistência ao
fluxo de corrente é conhecida e bem determinada, sua medida é em ohms (Ω) e
representado pela letra R em uma equação. Existem vários tipos de resistores:
carbono, fio, de valor fixo ou variável.(GUSSOW, 1997)
Resistor é um componente que tem a finalidade de oferecer oposição à
passagem de corrente elétrica através de seu material. A esta oposição dá se o
nome de resistência elétrica.(SOUZA, 2008)
Na Figura 1.7 é mostrado um exemplo de resistor de fio e de porcelana e na
Figura 1.8 é mostrado um resistor de filme de carbono.
Figura 1.7 - Resistores fixo de porcelana e de fio.
Fonte: Souza, 2008, p. 49.
32
Figura 1.8 - Resistor de filme de carbono. Fonte: Souza, 2008, p. 49.
1.6.12 Lei de Ohm (Ω)
A lei de Ohm define a relação de corrente (), tensão (V) e resistência (R),
matematicamente as três formas de expressa-la, na Figura 1.9 é mostrada as três
expressões.
Figura 1.9 - Fórmula matemática da lei de ohm. Fonte: Gussow, 1997, p. 33. Corrente é igual à tensão aplicada dividido pela resistência do
circuito.(GUSSOW, 1997)
Na Figura 1.10 mostra o exemplo do cálculo da corrente.
Figura 1.10 - Cálculo da corrente.
Fonte: Gussow, 1997, p. 33.
33
Para calcular a tensão utiliza a fórmula V = R x , tensão é igual ao produto da
corrente pela resistência do circuito.(GUSSOW, 1997)
Na Figura 1.11 mostra o exemplo do cálculo da tensão da corrente através da
lei de ohm.
Figura 1.11 - Cálculo da tensão. Fonte: Gussow, 1997, p. 34.
Para achar o valor de uma resistência, utiliza a fórmula da lei de ohm onde
resistência é igual à tensão aplicada divida pela corrente que passa pelo circuito, na
Figura 1.12 mostra-se um exemplo de cálculo de resistência através da lei de
ohm.(GUSSOW, 1997)
Figura 1.12 - Cálculo da resistência. Fonte: Gussow, 1997, p. 34.
1.6.13 Capacitor
Os capacitores em especial tem a capacidade de armazenar energia, como
uma bateria elétrica. As aplicações mais comuns incluem o armazenamento local de
energia, a supressão de pico de tensão e na filtragem de um sinal complexo.(JIMBO,
2014)
34
Um capacitor é criado a partir de duas placas de metal colocadas muito
próximos uma da outra, em paralelo e separado por um material isolante chamado
de dielétrico, é mostrado a seguir na Figura 1.13.(JIMBO, 2014).
Figura 1.13 - Detalhes de um capacitor. Fonte: Jimbo, 2014.
O dielétrico de um capacitor pode ser feito de qualquer tipo de material
isolante com: papel, vidro, borracha, cerâmica, plástico, ou qualquer material que
impeça o fluxo de corrente. Já as placas do capacitor são feitas de material condutor
com: alumínio, tântalo, prata, ou outros metais. Cada placa está ligada a um fio
terminal, que é ligado circuito.(JIMBO, 2014)
Na Figura 1.14 é mostrado um exemplo de capacitor de cerâmica e na Figura
1.15 é mostrado capacitor eletrolítico de Alumínio e tântalo.
Figura 1.14 - Capacitor de cerâmica. Fonte: Jimbo, 2014.
Figura 1.15 - Capacitor eletrolítico de Alumínio e tântalo. Fonte: Jimbo, 2014.
35
Os capacitores eletrolíticos são geralmente polarizados, com um pino positivo
o ânodo e um pino negativo chamado de cátodo. Quando a tensão é aplicada a um
capacitor eletrolítico, o ânodo tem de estar a uma tensão mais elevada do que a do
cátodo. O cátodo de um capacitor eletrolítico é geralmente identificado com um sinal
“−” (menos), e uma faixa colorida, e a perna do ânodo pode ser também um pouco
mais longa que a outra.(JIMBO, 2014)
Se a tensão for aplicada ao contrário em um capacitor eletrolítico, mesmo que
seja desfeita antes que ocorra a explosão, o capacitor fica comprometido, devido à
oxidação interna faz com que a camada de dielétrico seja maior, vindo a causar uma
sensível diminuição em sua capacitância, ou sofrer os efeitos mecânicos do acúmulo
de gases em seu interior e vir a vazar futuramente.(JIMBO, 2014)
1.6.14 Regulador de Tensão
Reguladores de tensão são componentes eletrônicos que tem uma forma de
circuito integrado (CI), que são mais precisos e tornam o circuito mais compacto,
pois ocupam menos espaços.(WENDLING, 2014)
A série de regulador de tensão 78XX, sendo que o XX é substituído por um
número que indica a tensão de saída, consiste em reguladores de tensão positiva
com corrente de até 1 ampère de saída. Na Figura 1.16 é mostrado um regulador
TO-220, e na Figura 1.17 é mostrado um regulador TO-3.(BRAGA, 2014)
Figura 1.16 - Regulador TO - 220. Fonte: Braga, 2014.
Figura 1.17 - Regulador TO - 3. Fonte: Braga, 2014.
36
Na Figura 1.18 apresenta um circuito eletrônico de um conversor de 12 volts
de entrada e saída de 5 volts com um CI 7805 como regulador.
Figura 1.18 - Circuito regulador de Tensão. Fonte: Wendling, 2009, p. 4.
No Quadro 1.5 ilustra as principais características dos reguladores de tensão
da família 78XX e 79XX.
Quadro 1.5 - Reguladores de tensão.
Fonte: Wendling, 2009, p. 3.
1.6.15 Led
Os diodo emissor de luz (LEDs) são como pequenas lâmpadas que exigem
muito pouca energia para iluminar, e são muito eficientes em termos energéticos,
isto os torna ideais para dispositivos móveis e outras aplicações de baixa
potência.(JIMBO, 2014)
O lado positivo do Led é chamado “ânodo” e é caracterizado por ter uma
perna mais longa, e o lado negativo do Led chamado de “cátodo”, exemplo na Figura
1.19. A corrente flui do ânodo para o cátodo e nunca na direção oposta.(JIMBO,
2014)
37
Figura 1.19 - Led. Fonte: Jimbo, 2014.
LEDs RGB (vermelho-verde-azul) são na verdade três LEDs em um, mas isso
não significa que só pode fazer três cores, porque vermelho, verde e azul são as
cores primárias aditivas, com isso pode controlar a intensidade de cada uma para
criar todas as cores do arco-íris. A maioria dos LEDs RGB possui quatro pinos: um
para cada cor e um pino comum. Na Figura 1.20 é mostrado o modelo de LED de
pino comum no ânodo, e o outro com pino comum no cátodo.(JIMBO, 2014)
Figura 1.20 - Led RGB. Fonte: On8tom, 2011.
1.6.16 Diodo Retificador 1N4007
O diodo é um componente eletrônico que permite que a corrente flua em uma
única direção. Pode ser composto por dois tipos de cristais semicondutores,
geralmente o silício ou germânio que são altamente refinados, então são dopados
com uma impureza. De acordo com a impureza, o cristal pode ser chamado do “tipo
- N” ou do “tipo - P”. Quando é colocada uma região dopada - N ao lado de uma
38
região dopada - P, um diodo ou junção PN é formada. Nos diodos a região - P é
chamada de ânodo, e na região – N é chamada de cátodo.(BOXALL, 2014)
A tensão de ruptura de cada tipo de diodo é diferente, pois, depende do
fabricante. A seguir é mostrada esses dado na Figura 1.21.
Figura 1.21 - Tipo e tensão de ruptura de um diodo.
Fonte: Braga, 2014.
A tensão excessiva geralmente não destrói um diodo, mas a corrente
excessiva destrói um diodo. Isso é interessante, porque você pode usar um diodo
como um regulador de tensão, desde que não ultrapasse a corrente máxima do
diodo.(BOXALL, 2014)
1.6.17 Oscilador de Cristal
Um cristal é um componente eletrônico que utiliza a ressonância de um cristal
em vibração de um material piezo eletrônico, para criar um sinal elétrico com uma
frequência bastante precisa. Esta frequência é comumente usada para medir
precisamente o tempo, tais como em relógios de quartzo, bem como para estabilizar
frequências de transmissores de rádio. O cristal piezoelétrico mais utilizado é
quartzo. Seus invólucros podem ter várias formas e tamanho de acordo com
aplicação.(BRAGA, 2014)
Na Figura 1.22 ilustra um cristal de quartzo modelo HC - 49 de 16 MHz
utilizado no projeto.
39
Figura 1.22 - Cristal de Quartzo de 16 MHz. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
Estes cristais são utilizados em vários equipamentos eletrônicos como
relógios, computadores, telefones sem fio, televisores, DVD entre outros, exerce
funções decisivas relacionadas como controle de frequências.(BRAGA, 2014)
1.7 TELEMETRIA
Telemetria é a transmissão da informação retirada de sensores ou
dispositivos de um local e enviado para outro local, através de fios, ondas de rádio,
linha telefônica ou outros meios. Um sistema completo de medição, transmissão e
recepção para indicar ou registrar uma quantidade à distância. Telemetria é
chamada de medição remota.(RIBEIRO, 2001)
1.7.1 Aquisição de Dados
Ribeiro (2001) diz que o sistema de aquisição de dados pode incorporar um
subsistema de telemetria para a comunicação remota entre estações.
O sistema completo possui:
Nas entradas do sistema estão os sinais que são medidos pelos sensores;
A próxima etapa é a amplificação dos sinais, filtragem, padronização,
linearização para normalizar as saídas dos diferentes sensores e restringir suas
larguras de faixa de modo que seja compatível com os canais de comunicação;
No multiplexador os sinais são multiplexados, de modo que todos os sinais
são transmitidos no mesmo canal, um por vez de modo ordenado;
Depois de multiplexados os sinais são transmitidos para o receptor através
de uma onda portadora de Rádio Frequência (RF), modulada em amplitude,
frequência ou fase. A transmissão pode ser enviada por outros meios como, cabo
coaxial, cabo de fibra ótica ou por linha telefônica;
40
No receptor os sinais são de multiplexados, ou seja, todos os sinais
transmitidos são recuperados e passam a existir e podem ser tratados para diversos
fins, mostrados ou analisados na estação final.
Na Figura 1.23 demonstra esta etapa.
Figura 1.23 - Sistema de Telemetria. Fonte: Ribeiro, 2001, p. 81.
1.8 LINHAS DE TRANSMISSÃO
Ribeiro (2001) cita que as linhas de transmissão são usadas para transportar
as ondas eletromagnéticas por meio de um par de fios trançados, cabo coaxial, linha
telefônica ou RF. Saber calcular uma linha de transmissão é muito importante para
não ter perdas no caminho por não dimensionar corretamente os parâmetros
primários e secundários.
Os parâmetros primários são: resistência; condutância de vazamento e
indutância; e capacitância distribuida.
Os parâmetros secundários são: impedância, Zo; atenuação, α, expressa em
dB/m; e deslocamento de fase, β, medido em rd/m.
1.9 TRANSMISSÃO POR RF
Soares e Silva (2003) diz que as organizações regulamentadoras limitam a
transmissão por RF entre 30 Kilo Hertz (kHz) a 300 Giga Hertz (GHz), mas a
propagação por ondas eletromagnéticas é possível abaixo de alguns kHz. No
41
Quadro 1.5 é mostrada a faixa de RF dividido em bandas, e cada banda sendo
designada por um nome.
Quadro 1.6 - Designação das bandas de frequência.
Banda de frequência Designação
3 – 30 kHz Very Low Frequency (VLF)
30 – 300 kHz Low Frequency (LF)
300 – 3.000 kHz Médium Frequency (MF)
3 – 30 Mega Hertz (MHz) High Frequency (HF)
30 – 300 MHz Very High Frequency (VHF)
0,3 – 3 Giga Hertz (GHz) Ultra High Frequency (UHF)
3 – 30 GHz Super High Frequency (SHF)
30 – 300 GHz Extra High Frequency (EHF)
103 – 107 GHz Infravermelho, luz visível e ultravioleta.
Fonte: Soares e Silva, 2003, p. 8.
A alocação de bandas de frequências é feita por acordo internacional da
União Internacional de Telecomunicação, com sede em Genebra.(RIBEIRO, 2001)
Ribeiro (2001) cita que a transmissão por RF é muito utilizada em telemetria,
o sinal de dados pode ser modulado em amplitude modulada (AM), frequência
modulada (FM) ou modulada em fase (PM).
Segundo manual de instalação ETELJ o modelo UTE 2000 trabalha na
frequência de 149.170 MHz em FM com potência de saída de 1 watt (W) através de
antenas direcionais. O alcance para automação por telecomando pode variar de
acordo com a topografia local, no plano pode chegar aproximadamente até 50
kilometro (Km), em topografia acidentada de 0 a 25 km.
Na Figura 1.24 é ilustrada a forma de instalação das antenas, com enlace
ideal.
Figura 1.24 - Enlace ideal para rádio de telecomando. Fonte: ETELJ, 2014, p. 9.
42
A Figura 1.25 ilustra um diagrama do sistema de transmissão e recepção por
RF.
Figura 1.25 - Diagrama de bloco de transmissão e recepção por RF. Fonte: Ribeiro, 2001, p. 239.
43
2 ARDUINO
Neste capítulo são abordados conceitos sobre a tecnologia da placa arduino,
a origem de sua criação e a importância no desenvolvimento de objetos eletrônicos
interativos que sejam capazes de compilar e carregar programas.
Em homenagem ao Bar di Re Arduino de propriedade de Massimo Banzi, o
cofundador italiano do projeto eletrônico nomeou a placa como Arduino.(KUSHNER,
2011)
O Arduino trata-se de uma placa de baixo custo lançado em 2005 por Banzi,
como uma ferramenta modesta para estudantes no Interaction Design Institute Ivrea
(IDII), se tornou uma revolução internacional do-it-yourself em eletrônica. Com a
plataforma arduino é possível conectar sensores, luzes, motores e outros
dispositivos.(KUSHNER, 2011)
Segundo o desenvolvedor do arduino David A. Mellis diz que “ele tornou
possível que as pessoas façam coisas que eles não teriam feito de outra forma”,
quando era estudante na IDII.(KUSHNER, 2011)
O arduino é uma multiplataforma que pode ser configurado para os sistemas
operacionais Linux, Mac OS e Windows. Possui o conceito de hardware e software
livre para o desenvolvimento de artefatos interativos stand-alone ou conectados no
computador. Além disso, é um dispositivo que é mantido por uma comunidade que
tem a filosofia de open-source, ou seja, desenvolver e divulgar gratuitamente seus
projetos.(RENNA, 2013)
Na Figura 2.1 é mostrado um diagrama de blocos de uma cadeia de
processamento do arduino.
Figura 2.1 - Diagrama de processamento do arduino. Fonte: Renna, 2013. O arduino está associado à filosofia de Physical Computing: que são sistemas
digitais interligados a sensores e atuadores que permitirá o desenvolvimento de
sistemas físicos que sejam capazes de responder a entrada de dados vindas do
44
mundo real. O arduino é constituído por um microcontrolador Atmega e um
microcontrolador denominado computador-num-chip (MCU) o que vem a ser um
computador em um chip, que é composto por um microprocessador, uma memória e
periféricos entrada/saída (I/O). Para simplificar a sua programação foram
desenvolvidas bibliotecas, por meio de uma sintaxe similar a da linguagem de
programação C/C++.(RENNA, 2013)
Na Figura 2.2 é mostrado um esboço dos componentes que compõem uma
placa arduino. Os detalhes da identificação estão descritos a seguir.
Figura 2.2 - Esboço dos componentes da placa arduino. Fonte: Arduino, 2014.
Pino de referência analógico (cor laranja);
Pino terra digital ground (GND) (verde claro);
Pinos digitais 2 – 13 (verde);
Pinos digitais 0 – 1, serial In/Out – RX / TX (verde escuro), esses pinos não
podem ser usados para entrada/saída (E/S) digitais (digitalRead e digitalWrite)
quando é utilizado a transmissão por porta serial, por exemplo: a serial.begin;
Botão reset - S1 (azul escuro);
In circuito programador de série – ICSP (azul esverdeado);
Pino de In analógica 0 – 5 (azul claro);
Power - pinos (VIN) e o pino terra (pinos de energia 5 v e 9 v em laranja e
pinos terra GND em laranja claro);
Entrada da fonte de alimentação In (9 - 12 VDC ) – X1 (rosa);
USB é usado para fazer transferência de dados para a placa e na
comunicação serial entre a placa e o computador; pode ser usado na alimentação de
energia para a placa (amarela).(ARDUINO, 2014)
45
2.1 ARDUINO BT
Figura 2.3 - Placa Arduino BT. Fonte: Arduino, 2014.
A placa arduino BT contém um módulo Bluetooth built in, que permite a
comunição sem fio. Normalmente se utiliza um cabo Universal Serial Bus (USB)
conectado em uma porta serial do computador na comunicação de enviou e
recebimento de dados com a placa. Porém, com arduino BT o mesmo processo
poderá ser executado através do Bluetooth.(ARDUINO, 2014)
Algumas características desta placa são: Funciona com tensão mínima de 2,5
volts o que facilita na alimentação com bateria; o pino 7 não pode ser usado por
qualquer coisa, exceto para a redefinição do módulo, pois ele esta ligado ao pino
reset do módulo do Bluetooth; a tensão de funcionamento é de 5 volts; tensão de
entrada vai de 2,5 a 12 volts; possui 14 pinos digitais I/O; possui 6 pinos de entrada
analógica; possui memória flash e a velocidade do clock é de 16 MHz.
Em relação à entrada e saída de dados, cada um dos 14 pinos digitais da BT
pode ser usado como entrada ou saída, basta utilizar uma das funções: pinMode(),
digitalWrite() e a digitalRead(). Além disso, cada pino pode fornecer ou receber uma
corrente máxima de 40 mA, e ainda tem um resistor interno pull-up desconectado
por padrão de 20-50 KΩ.(ARDUINO, 2014)
A porta serial utiliza o pino 0 (RX) para a recebimento de dados e para a
transmissão de dados o pino 1 (TX) transistor-transistor logic TLL, sendo que esses
pinos estão ligados aos pinos correspondentes do módulo Bluegiga
WT11.(ARDUINO, 2014)
No arduino BT esta configurada com o módulo Bluegiga WT11 que possibilita
a comunicação Bluetooth com computadores, telefones e outros dispositivos
Bluetooth. O módulo WT11 se comunica com o microcontrolador ATmega328 pela
porta serial através do compartilhamento dos pinos RX e TX da placa. O módulo
46
deve ser configurável e detectável pelos drivers Bluetooth do sistema operacional,
onde fornece uma porta COM virtual para uso dos outros aplicativos. O software do
Arduino inclui um monitor da porta serial que permite que dados de texto simples
sejam enviados e recebidos para a placa Arduino por essa conexão
bluetooth.(ARDUINO, 2014)
2.2 ARDUINO DUE
Figura 2.4 - Placa Arduino Due. Fonte: Arduino, 2014.
Esta placa tem um microcontrolador baseado no Atmel SAM3X8E ARM
Cortex-M3, esta é a primeira placa Arduino com base em um microcontrolador de 32
bits de núcleo ARM que permite operações em 4 bytes de dados dentro de um único
clock da Central Processing Unit (CPU). Porém, ao contrário dos outros modelos das
placas Arduino, a placa Arduino Due é executada em uma tensão de 3,3
v.(ARDUINO, 2014)
Para utilizar a placa Due basta conectá-la a um computador através do cabo
micro-USB ou ligá-la a um adaptador de Alternate Current (AC) para DC ou a uma
bateria para começar a usar. É compatível com os shields do Arduino que trabalham
em 3,3 V e também são compatíveis com o Arduino pinout 1.0.(ARDUINO, 2014)
Algumas características desta placa são: Tensão de funcionamento é de 3,3
v; a tensão de entrada vai de 7 a 12 v; a tensão limite de entrada vai de 6 a 16 v;
possui 54 pinos Digitais I / O; possui 12 pinos de entrada analógica; possui 2 pinos
de saídas analógicas; a corrente de saída DC é de 130 mA em todas as linhas de I /
O; a corrente DC para pino de 3,3 v é de 800 mA; a corrente DC pino para 5 v é de
800 mA; possui memória Flash e a velocidade do clock é de 84 MHz.
47
De acordo com os pinos, existem funções específicas para receber (RX) e
transmitir dados em serial TTL (TX) (com nível de tensão 3,3 V). Os pinos 0 e 1 são
ligados aos pinos correspondentes do chip Serial ATmega16U2 por meio da USB
para TTL.(ARDUINO, 2014)
Alguns dos pinos com funções especializadas são: O serial: 0 (RX) e 1 (TX);
serial 1: 19 (RX) e 18 (TX); serial 2: 17 (RX) e 16 (TX); serial 3: 15 (RX) e 14 (TX).
Tem uma facilidade enorme para se comunicar com computadores, outro
arduino, outros microcontroladores ou também a diferentes dispositivos como:
câmera, tablets e celulares.(ARDUINO, 2014)
A porta USB nativo está ligado ao SAM3X, assim permitirá a comunicação
serial communication device class (CDC) através da porta USB. Isso proporciona
uma conexão serial com o monitor serial ou outros aplicativos do computador. Ele
permitirá emular um mouse ou teclado USB no computador conectado.(ARDUINO,
2014)
2.3 ARDUINO FIO
Figura 2.5 - Placa do Arduino Fio. Fonte: Arduino, 2014.
A placa Arduino Fio é destinada ao desenvolvimento de aplicações sem fio
(wireless). Poderá fazer upload das descrições (detalhes) da placa por meio de um
cabo Future Technology Devices International (FTDI) ou a placa breakout da
Sparkfun. Além disso, poderá também utilizar de um adaptador USB to XBee
modificado como XBee Explorer USB, para fazer upload das descrições sem fio. A
placa vem com trilhas de pré-montagem, permitindo assim o uso de vários tipos de
conectores de soldagem direta ou de fios.(ARDUINO, 2014)
48
O Arduino Fio foi projetado por Shigeru Kobayashi e SparkFun Electronics, e
fabricado pela SparkFun Electronics.(ARDUINO, 2014)
Algumas características desta placa são: Possui microcontrolador
ATmega328P; a tensão de funcionamento é de 3,3 v; a tensão de entrada vai de
3,35 a 12 v; a tensão de entrada para carga vai de 3,7 a 7 v; possui 14 pinos Digitais
I / O; possui 8 pinos de entrada analógica; a corrente de saída DC é de 40 mA por I /
O; possui memória Flash e a velocidade do clock é de 8 MHz.
O arduino Fio pode ser alimentado através do cabo FTDI ou da placa
breakout ligada nos seus 6 pinos ou com uma fonte de alimentação de 3,3 volts no
pino 3v3 ou uma bateria de lítio nos pinos BAT.(ARDUINO, 2014)
O microcontrolador ATmega328P do arduino Fio já vem pré gravado com
um bootloader que permite o envio de novos códigos sem o uso de um programador
de hardware externo, através do protocolo original STK500 ou pode ignorar o
bootloader e programar o microcontrolador ATmega328P com um programador
externo.(ARDUINO, 2014)
Na Figura 2.6 é na Figura 2.7 são mostradas à utilização do adaptador e do
cabo FTDI:
Figura 2.6 - Adaptador FTDI – Breakout da Sparkfunr. Fonte: Arduino, 2014.
Figura 2.7 - Cabo FTDI. Fonte: Arduino, 2014.
49
O software Arduino possui um monitor serial que permite que dados de texto
simples sejam enviados e recebidos pela placa Arduino Fio através de uma conexão
serial externa, através do adaptador FTDI básica ou do cabo FTDI, pois, o conector
mini-USB onboard da placa, é usado somente para carregar e não permite a
comunicação serial.(ARDUINO, 2014)
2.4 ARDUINO YÚN
Figura 2.8 - Placa do Arduino Yún. Fonte: Arduino, 2014.
O Arduino Yún é uma placa de programação muito semelhante ao Arduino
Leonardo, por usar o mesmo modelo de processador, um ATmega32U4, além dele
também possui um processador adicional, um Atheros AR9331, que dá suporta a
uma distribuição de Linux para sistemas embarcados chamado OpenWrt-Yun, com
base em OpenWrt.(ARDUINO, 2014)
OpenWrt: Em vez de tentar criar um único, firmware estática, OpenWrt fornece um sistema de arquivos totalmente gravável com gerenciamento de pacotes. Isso libera você da seleção de aplicativos e da configuração fornecida pelo fornecedor e permite que você personalize o dispositivo através do uso de pacotes para atender a qualquer aplicação. Para o desenvolvedor, OpenWrt é uma estrutura para construir um aplicativo sem ter que construir um firmware completo em torno dele; para os usuários, isso significa a capacidade de personalização e usar o dispositivo de maneira
nunca imaginado.(OPENWRT, 2014)
Na programação do processador ATmega32U4 via USB é semelhante ao
Leonardo, por meio de um cabo USB Micro-B, transmite energia e os dados para
placa, ou se conectar a uma rede WiFi, para programar o ATmega32U4 via
WiFi.(ARDUINO, 2014)
A programação no Yún na distribuição Linux com sistema OpenWrt-Yun, é
necessário a instalação de um sistema de gerenciamento de pacotes chamado
opkg, pois, é muito importante, facilita a instalação, atualização e remoção de
50
aplicativos ou programas, através da linha de comando ou de uma página da web
que possibilita a configuração de muitas das opções por meio da interface chamada
Luci, que permite praticamente qualquer configuração para manutenção na interface
do WiFi.(ARDUINO, 2014)
Figura 2.9 - Detalhes da placa do Arduino Yún. Fonte: Arduino, 2014.
O Yún tem dois processadores, nesta seção serão mostradas as
características deles.
Algumas das características do Arduino Yún do Windows são:
Microcontrolador ATmega32u4; a tensão de funcionamento é de 5 v; a tensão de
entrada é de 5 v; possui 20 pinos Digitais I / O; possui 7 canais PWM; possui 12
pinos de entrada analógica; corrente DC por I / O é de 40 mA; corrente DC para 3,3
V é de 50 mA; possui memória Flash e velocidade do clock: 16 MHz. Já no Linux:
possui um Processador Atheros AR9331; arquitetura Microprocessor without
Interlocked Pipeline Stages (MIPS) 400 MHz @; tensão de funcionamento é de 3,3
v; possui Ethernet Institute of Electric and Electronic Engineers (IEEE) 802.3 10/100
Mbit /s; Wifi IEEE 802.11b / g / n; a porta USB 2.0 Hosts do Tipo – A; leitor de Cartão
Micro-SD; memória RAM DDR2 de 64 MB.
2.5 ARDUINO ETHERNET SHEILD
Figura 2.10 - Placa do Arduino Ethernet sheild. Fonte: Arduino, 2014.
51
O Arduino Ethernet Shield proporciona condições de uma placa Arduino se
conecte a internet. Este shield dá suporte até quatro comunicações simultâneas de
socket. Basta ligar este módulo a um computador ou a um hub de rede ou roteador
através de um cabo Ethernet padrão o CAT5 ou CAT6 com conectores
RJ45.(ARDUINO, 2014)
O módulo esta baseado em um chip W5100 de ethernet da Wiznet, que
fornece acesso à rede Internet Protocol (IP) capaz de se comunicar os protocolos
Transmission Control Protocol (TCP) ou User Datagram Protocol (UDP), através da
utilização das bibliotecas Ethernet Library e da SD Library, com esse módulo pode
conectar um Arduino a uma rede local ou se conectar a internet, possibilita acesso
remoto, transferência de dados, verificação remota do status em
sensores.(ARDUINO, 2014)
Na Tabela 2.1 é mostrado um exemplo do código da definição de um IP
programado no Arduino.
Tabela 2.1 - Exemplo de IP no arduino.
1 // Programa : Ethernet Shield Wiznet W5100 - Define endereço IP
2 // Autor : Arduino e Cia
3
4
5
#include <SPI.h>
#include <Ethernet.h>
6
7 // A linha abaixo permite que voce defina o endereço
8 // fisico (MAC ADDRESS) da placa de rede
9 byte mac[] = 0xAB, 0xCD, 0x12, 0x34, 0xFF, 0xCA ;
10
11 // Os valores abaixo definem o endereço IP, gateway e máscara.
12 // Configure de acordo com a sua rede.
13 IPAddress ip(192,168,0,100); //Define o endereço IP
15 IP15Address gateway(192,168,0,1); //Define o gateway
16 IPAddress subnet(255, 255, 255, 0); //Define a máscara de rede
17
18
void setup()
19
20
Ethernet.begin(mac,ip);//Inicializa a placa com os dados fornecidos
21
22
23 void loop()
Fonte: Arduino e Cia, 2013.
Obs.: Note que os endereços IP são separados por vírgula, ao invés de ponto,
como e habitual.(ARDUINO e CIA, 2013)
52
O shield atual tem um módulo Power over Ethernet (PoE) projetado para
extrair energia a partir de um cabo Ethernet convencional par trançado categoria 5,
mas não vem com o módulo PoE embutido, é um componente separado que deve
ser adicionado.(ARDUINO, 2014)
IEEE802.3af compliant;
Baixa ondulação de saída e ruído (100mVpp);
Faixa de tensão de entrada de 36 v a 57 v;
Proteção de sobrecarga e curto-circuito;
Saída: 9 v;
Alta eficiência conversor CC / CC: tip 75% @ carga de 50%;
Isolamento: 1500 v (entrada para a saída)
A placa tem um slot para cartão micro-SD onboard, que pode ser usado para
armazenar arquivos que servirão na rede. É compatível com a Arduino Uno e Mega
através da biblioteca Ethernet.(ARDUINO, 2014)
2.6 ARDUINO GSM SHEILD
Figura 2.11 - Placa do Arduino GSM shield.
Fonte: Arduino, 2014.
O Arduino GSM sheild permite conectar o Arduino à Internet através de uma
rede sem fio GPRS. Basta ligar este módulo na placa Arduino, e se conectar através
de um cartão SIM com cobertura GPRS, e com algumas instruções simples passa a
enviar / receber mensagens SMS e com ajuda de um circuito de alto-falante e
microfone externo fazer / receber chamadas de voz.(ARDUINO, 2014)
A comunicação do módulo GSM e feito por um modem de rádio M10 da
Quectel, a tecnologia do M10 é uma solução completa quadriband Groupe Special
Mobile (GSM) / General Packet Radio Service (GPRS) em um tipo de Logical Link
53
Control (LLC), que pode ser incorporado em aplicações, também é possível se
comunicar com a placa através dos comandos AT.(ARDUINO, 2014)
O padrão GSM é um Sistema Global para Comunicações Móveis que dá
suporta a chamadas feitas por voz, sistema de mensagens simples Short Message
Service (SMS) ou mensagens de texto. Já a tecnologia GPRS de comutação por
pacotes podem aumentar as taxas de transferência de dados nas redes GSM entre
56 a 114 quilobit por segundo (kbps).(ARDUINO, 2014)
Figura 2.12 - Detalhe do cartão SIM. Fonte: Arduino, 2014
Um cartão SIM da Telefonica/Movilforum instalado no módulo GSM irá
funcionar bem para desenvolvimento de aplicações de máquina para máquina
(M2M), não sendo necessário a utilização de um cartão específico, o importante que
funcione em uma rede em sua área.(ARDUINO, 2014)
2.7 ARDUINO TELA TFT
Figura 2.13 - Placa do Arduino Tela TFT. Fonte: Arduino, 2014.
A tela TFT Arduino é uma tela de LCD Touchscreen com header que é
compatível com qualquer Arduino baseado em AVR, é uma excelente interface no
desenvolvimento de projetos no Arduino. Na parte inferior do módulo da tela há um
54
slot onboard padrão de cartão micro SD, que é acessível através da biblioteca do
cartão SD, que permite o armazenamento e a leitura de dados.(ARDUINO, 2014)
A biblioteca do Arduino TFT se estende a biblioteca Adafruit GFX e a
biblioteca Adafruit ST7735. A biblioteca GFX é responsável pela parte gráfica de
todos os monitores, fornece um conjunto de gráficos primitivos (pontos, linhas,
círculos, etc), enquanto que a biblioteca ST7735 é específico para o ecrã do visor
Arduino.(ARDUINO, 2014)
Um módulo Arduino de display de 4,3’’ LCD Touchscreen da sparkfun tem
uma gama de comandos seriais prontos para ser recebidas a partir do Arduino, para
desenhos básicos como: linhas, retângulos, círculos e o texto, exibir imagens, tocar
áudio e registrar dados no cartão SD. Também pode utilizar o VISI - genie no
Workshop 41 combinado com a biblioteca do Arduino para criar interface gráfica em
poucos minutos.(SPARKFUN, 2014)
2.8 ARDUINO WIRELESS SHIELD
Figura 2.14 - Placa do Arduino Wireless shield.
Fonte: Arduino, 2014
O arduino wireless shield permite conectar uma placa Arduino sem fio com
outro módulo wireless. Este modelo de shield de comunicação esta baseado nos
módulos Xbee da Digi ou pode utilizar qualquer módulo com a mesma área de
cobertura. O módulo pode se comunicar até 30,48 metros em ambientes fechados
ou 91,44 metros ao ar livre. Ele pode ser usado como um substituto serial / usb ou
1 É um IDE de software para o Windows Microsoft que fornece uma plataforma de desenvolvimento
de software integrado para toda a família 4D de processadores e módulos.(4DSYSTEMS, 2014)
55
você pode colocá-lo em modo de comando e configurá-lo para uma variedade de
opções de transmissão e de malha de redes.(ARDUINO, 2014)
O módulo possui um interruptor onboard com a finalidade de selecionar entre
micro ou USB, se estiver na posição micro, o pino DOUT do módulo wireless está
conectado ao pino RX do microcontrolador, e o DIN está ligado a TX. O módulo
wireless então se comunica com o microcontrolador, assim os dados enviados do
microcontrolador são transmitidos para o computador via USB, bem como sendo
enviado via wireless pelo módulo wireless. O microcontrolador não é programável
através da porta USB neste modo. Já posição USB, o pino DOUT do módulo
wireless está conectado ao pino RX para o conversor USB para serial, e o DIN no
módulo wireless está ligado ao pino TX para o conversor USB para serial. Logo, o
módulo wireless se comunica diretamente com o computador, e o microcontrolador
da placa é ignorado.(ARDUINO, 2014)
Figura 2.15 - interruptor no Arduino Wireless Shields. Fonte: Arduino, 2014.
Quando o wireless SD estiver conectado em uma rede sem fio poderá se
comunicar com módulos diferentes através da mesma área de cobertura, desde que
os módulos estejam no mesmo canal.(ARDUINO, 2014)
2.9 ARDUINO WIFI SHIELD
Figura 2.16 - Placa do Arduino WiFi Shields. Fonte: Arduino, 2014.
56
O Arduino WiFi shield permite que uma placa Arduino tenha conectividade à
internet, através de uma rede sem fio que opere de acordo com as especificações
Wireless 802.11 (WiFi) e do sistema HDG104 Wireless Local Area Network (LAN)
802.11b / g em pacote. O Arduino se comunica com o processador e do cartão SD
ambos do WiFi shield , através do barramento Serial Peripheral Interface (SPI), por
meio do header ICSP.(ARDUINO, 2014)
O módulo se conecta com as redes abertas, bem como aquelas que usam
criptografia Wired Equivalent Privacy (WEP) e WiFi Protected Access II (WPA2)
Pessoal, mas exceto as redes com criptografia WPA2 Empresarial.(ARDUINO, 2014)
2.10 ARDUINO UNO
Figura 2.17 - Placa Arduino Uno. Fonte: Arduino, 2014.
O Arduino Uno é uma placa que consiste de um microcontrolador
ATmega328. Um aspecto importante do arduino Uno R3 é a utilização do chip
ATmega16U2 ao invés do 8U2 encontrado no arduino Uno R2 (ou o FTDI
encontrado em gerações anteriores). Isso permite taxas de transferência mais
rápidas e mais memória.(ARDUINO, 2014)
O Uno R3 tem a seguintes novidades: o pinout 1.0 adicionado perto do pino
AREF os pinos Serial Data (SDA) e Serial Clock (SCL) e os outros dois novos pinos
estão colocados perto do pino RESET, o IOREF que permite que os shields se
adaptem à voltagem fornecida a partir da placa. Eventualmente no futuro, os shields
serão compatíveis tanto com as placas que usam o AVR, que operam com uma
tensão de 5 volts e a placa do Arduino Due que opera com uma tensão de 3,3 volts.
O segundo é um pino que não está conectada a nenhuma parte do
circuito.(ARDUINO, 2014)
57
Algumas características desta placa são: a tensão de funcionamento é de 5 v;
a tensão de entrada é de 7 a 12 v; a tensão limite de entrada é de 6 a 20 v; possui
14 pinos Digitais I / O; possui 6 pinos de entrada analógica; a corrente DC na I / O é
de 40 mA; a corrente DC para 3,3 v é de 50 mA; possui memória Flash e a
velocidade do clock é de 16 MHz.(ARDUINO, 2014)
Figura 2.18 - Detalhes dos componentes da placa Uno. Fonte: Souza F, 2014.
VIN. Fonte de entrada de alimentação para a placa Arduino quando usar uma
fonte de alimentação externa (ao contrário de 5 volts a partir da conexão USB ou
outra fonte de alimentação regulada) ou poderá fornecer alimentação por este
pino.(ARDUINO, 2014)
5V. Este pino fornece um tensão de alimentação de 5 volts regulado pelo
regulador na placa. A placa pode ser alimentado a partir da tomada de energia DC
(7 – 12 V), pelo conector USB (5 volts), ou o através do pino VIN da placa (7-12 V).
O fornecimento de energia através dos pinos 5V ou 3,3V e ignora pelo regulador, o
que poderá danificar a placa.(ARDUINO, 2014)
3V3. Este pino fornece uma tensão de alimentação de 3,3 volt fornecido pelo
regulador da placa. Corrente máxima é de 50 mA.(ARDUINO, 2014)
GND. Pino de aterramento.
IOREF. Este pino na placa Arduino fornece a referência de tensão que o
microcontrolador opera. É uma propriedade de configuração para o shield que pode
58
ler a tensão no pino IOREF e selecionar a fonte de alimentação adequada ou
habilitar os sensores de tensão sobre as saídas para trabalhar com 5 volts ou 3,3
volts.(ARDUINO, 2014)
2.10.1 Instalação da IDE Arduino no Windows 7
Na Figura 2.19 é demonstrado os primeiros passos para instalação da IDE
arduino no Windows 7, é verificar se o Windows ao se conectar com o Arduino se
consegue instalar os drivers automaticamente.(TRENTIN, 2014)
Figura 2.19 - Windows não reconhece driver.
Fonte: Trentin, 2014.
Na janela do Menu Iniciar abra o Painel de Controle, navegue até Sistema e
Segurança, abra o Gerenciador de Dispositivo, mostrado na Figura 2.20.
Figura 2.20 - Janela Sistema. Fonte: Trentin, 2014.
59
Olhe em Portas (COM & LPT), que deve ter alguma porta aberta com o nome
“Arduino UNO (COMxx)’’, se não houver na seção COM & LPT, então procure no
menu “Dispositivo desconhecido” por “Outros dispositivos’’, como mostrado na
Figura 2.21.(TRENTIN, 2014)
Figura 2.21 - Janela Gerenciador de Dispositivo. Fonte: Trentin, 2014.
Clique direito sobre o “UNO Arduino (COMxx)” em portas e escolha a opção
“Atualizar driver”, e escolha a opção “Procurar software de driver no computador”, é
mostrado na Figura 2.22.
Figura 2.22 - Janela Atualizar Driver. Fonte: Trentin, 2014.
60
Navegue e selecione o arquivo de driver com o nome “arduino.inf”, localize na
pasta “Drivers” do download do Software Arduino (não o “FTDI USB Drivers” sub-
diretório). Se estiver com a versão antiga do IDE (1.0.3 ou mais), escolha o arquivo
de driver Uno com o nome “Arduino UNO.inf”, é mostrado na Figura 2.23.(ARDUINO,
2014)
Figura 2.23 - Janela Procurar Pasta.
Fonte: Trentin, 2014.
Na Figura 2.24 é mostrada a janela com a confirmação do Windows que
terminou a instalação do driver.
Figura 2.24 - Janela Atualizar Driver. Fonte: Trentin, 2014.
61
Na Figura 2.25 é mostrada a execução da IDE Arduino, que esta em C: \
Arquivos de programas \ arduino ou similar, clique em Tools | Serial Port e selecione
o número da porta. Selecione o tipo de placa do arduino, através Tools | Board,
como demonstrado na Figura 2.26.(HOBBYTRONICS, 2014.)
Figura 2.25 - Verificar a porta COM3 na IDE Arduino. Fonte: Hobbytronics, 2014.
Figura 2.26 - Selecionar a placa instalada. Fonte: Hobbytronics, 2014
No ambiente Arduino, pode-se escrever um programa como este da Figura
2.27, e só abrir um programa de demonstração Blink do diretório que liga e desliga
um LED.
62
Figura 2.27 - Programa no IDE Arduino para piscar um Led.
Fonte: Yingcloud, 2014
O IDE Arduino utiliza um conjunto de ferramentas GNU is Not Unix (GNU) e o
AVR Libc para compilar programas, e o avrdude para fazer o upload, tudo isso
facilita a programação e incorporação da placa em outros circuitos.(ROCHA, 2014)
Na Figura 2.28 são mostrados os controles na janela do IDE arduino.
Figura 2.28 - Controles do IDE Arduino.
Fonte: Lenci, 2013.
Barra de Menus (1) – é composta por 5 opções, que é possível carregar
exemplos, salvar projetos, localizar trechos de código-fonte, verificar e compilar,
monitorar, configurar a porta em que o ARDUINO está conectada e obter ajuda.
Botão Compile (2) - este botão compila o código fonte (esboço). É usado para
verificar se não há erros no código como: códigos incorretos, sintaxes não
finalizadas e converte o esboço em linguagem de máquina.
63
Botão Upload (3) - este botão é o que ativa o verificador, logo após do
compilador transformar o código fonte em linguagem de máquina, concluído o
processo de compilação software é carregado para memória flash do Arduino que
inicia a execução.
Botão New (4) - este botão abre uma nova janela em branco (Cria um novo
sketch), ou melhor, pressione a tecla Ctrl + N, em vez de abrir uma nova janela sem
fechar a atual.
Botão Open (5) - este botão permite abrir um arquivo Arduino salvo no
computador. Outra forma de abrir um arquivo existente é através da função
Sketchbook na guia File do menu, que irá abrir todos os códigos salvos na pasta
Arduino.
Botão Save (6) - este botão salva as alterações de edição realizada no código
fonte existente.
Botão Abas (7) - controla abertura, fechamento e organização das abas para
vários códigos (sketch) abertos na mesma tela.
Botão Serial Monitor (8) - este botão monitora as informações do programa.
No ARDUINO pode se escrever diretamente na porta serial, sendo possível
recuperar essas informações em outras IDE’s e interfaces, além de poder armazenar
os dados, auxilia na depuração de erros e exibir os dados.
Editor do código fonte (9) – área de texto, local da inserção das linhas de
comando, responsável pelo desenvolvido do software.
Barra de informações e Status (10) - barra responsável de exibir: erros de
digitação, compilação, alertas e conclusão de tarefas.(LENCI, 2013)
O ARDUINO é composto por 2 funções básicas, que é executado no
dispositivo: O setup - essa função só é executada quando o Arduino é inicializado,
após ser executada uma vez, não é mais executada até que o dispositivo seja
reinicializado. E o loop - essa função é repetida infinitamente pelo Arduino, após ser
executado o último bloco de código, ele retorna ao primeiro bloco.(LENCI, 2013)
2.10.2 Microcontrolador Atmega328P
Um microcontrolador é construído na forma de integrar vários componentes
em um único circuito integrado, desça forma evita a necessidade de adicionar
elementos externos ao microcontrolador.
64
Na Figura 2.29 é mostrado o diagrama de bloco dos componentes do
microcontrolador ATmega328P.
Figura 2.29 - Diagrama de bloco do ATmega328P. Fonte: Atmel, 2012, p. 5;
O Arduino Uno se comunica com um computador, outro Arduino ou outros
microcontroladores, e o ATmega328 fornece Universal Asynchronous Receiver
Transmitter (UART) TTL de 5 volts de comunicação serial, que está disponível nos
pinos digitais 0 (RX) e 1 (TX).(ARDUINO, 2014)
O firmware 16U2 é usado na comunicação serial através da porta USB e
aparece como uma porta COM virtual para o software no computador, e nenhum
driver externo é necessário. No entanto, no Windows é necessário, o arquivo inf. O
65
software Arduino inclui um monitor serial que permite que dados simples de texto
sejam enviados dá e para placa do Arduino.(ARDUINO, 2014)
Os LEDs RX e TX da placa pisca durante a transmissão dos dados através do
chip pela USB-to-serial e na conexão USB para o computador, mas não para
comunicação serial nos pinos 0 e 1. A biblioteca SoftwareSerial permite a
comunicação serial em qualquer um dos pinos digitais do Uno.(ARDUINO, 2014)
Na Figura 2.30 é mostrado o mapeamento da pinagem do Atmega328P que
são idênticos no Atmega8 e no Atmega168.
Figura 2.30 - Mapeamento da pinagem do ATmega328P. Fonte: Rodrigues, 2014.
O microcontrolador ATmega328 do Arduino Uno já vem pré gravado no
bootloader que permite o envio de novos códigos sem o uso de um programador de
hardware externo, que se comunica através do protocolo STK500.(ARDUINO, 2014)
2.10.3 Fritzing
O Fritzing é um software open-source printed circuit board (PCB) e Electronic
design automation (EDA) para a concepção de cicuitos eletrônicos que funciona em
66
Windows, Mac e Linux. É composto por componentes básicos como: fios, botões,
resistências, diodos entre outros, e também os componentes especiais como: placas
Arduino e sensores que podem ser facilmente adicionados a protoboard para
modelagem de um projeto.(FINUCANE, 2014)
Na Figura 2.31 é mostrada a tela inicial do Fritzing com sua área de trabalho
com a placa protoboard para montagem dos componentes de um projeto.
Figura 2.31 - Interface do Fritzing. Fonte: Finucane, 2014.
Na Figura 2.32 é mostrado a direita a tela da barra do menu com os
componentes necessários a modelagem de um circuito eletrônico.
Figura 2.32 - Interface do menu de componentes.
Fonte: Finucane, 2014.
67
Para modelagem de um circuito basta clicar e arrastar o componente
desejado da barra de menu e encaixa-lo em algum linha de furos da protoboard de
acordo com a montagem de esquema circuito. Na Figura 2.33 é mostrado um
exemplo da montagem dos componentes na protoboard.(FINUCANE, 2014)
Figura 2.33 - Montagem dos componentes na protoboard. Fonte: Finucane, 2014.
Outro recurso do Fritzing é a função schematic que se encontra na guia na
barra de menu, de esquematizar, ou seja, a organizar os componentes como
mostrada na Figura 2.34, garante que todas as conexões feitas na tela da
protoboard fiquem corretas. Basta arrastar e orientar os componentes de modo que
fiquem alinhados entre eles.(FINUCANE, 2014)
Figura 2.34 - Esquematizar os componentes. Fonte: Finucane, 2014.
68
Na Figura 2.35 é mostrado que o Fritzing é capaz de construir o circuito em
uma placa de ensaio e gerar automaticamente um arquivo de Printed Circuit Board
PCB para que possa ser manipulado.
Figura 2.35 - Criar o PCB. Fonte: Finucane, 2014.
Nesta etapa pode determinar o local preferido dos componentes na placa.
Isso vai depender do local que pretende montar a placa do projeto, por exemplo, em
um gabinete para adicionar ou relacionar qualquer botão ou interruptor a ser
acessado.(FINUCANE, 2014)
69
3 PROJETO
Neste capítulo descreve-se o protótipo de monitoramento de nível de
reservatório de água, que é composto por um módulo transmissor, que utiliza um
sensor para coletar informações sobre o nível do reservatório de água e envia os
dados coletados do reservatório por RF para um módulo receptor que capta os
dados da placa transmissora e transmite os dados para serem armazenados em um
sistema de supervisão.
O módulo transmissor e receptor possuem um microcontrolador que precisa
ser programado. Para isso, é utilizada uma ferramenta de desenvolvimento para
escrever-se o programa, fazer a compilação e gravar no microcontrolador.
Em todo esse processo é necessário um sistema de supervisão para
monitorar os níveis recebidos, a porta serial do computador capta os dados do
módulo receptor. Estes dados são gravados em um banco de dados, que é utilizado
para gerar relatórios para analisar os níveis. O esquema descrito pode ser
visualizado pela Figura 3.1.
Durante a fase de desenvolvimento é necessária a aplicação de testes e
simulações para ter-se o conhecimento das informações dos dados enviados e
recebidos, para garantir um nível aceitável de confiabilidade do sistema.
Figura 3.1 - Projeto do Sistema de monitoramento de nível de reservatório. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
70
3.1 MÓDULO TRANSMISSOR
A função básica do módulo transmissor mostrado pela Figura 3.2 é receber o
sinal analógico de 4 a 20 mA de um sensor de pressão e enviar por RF através de
um transmissor de 433 MHz. Este módulo foi desenvolvido com o uso do Arduino
UNO e foram utilizados componentes básicos em sua montagem como: resistores,
capacitores, regulador de tensão, led, diodo, chaves de toque, cristal oscilador de 16
MHz e um microcontrolador modelo ATmega 328 P. Neste microcontrolador é
gravado o programa em sua memória flash, este processo é feito por um software
chamado de Bootloader.
Figura 3.2 - Módulo transmissor, envio de dados ao sensor. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
Na Figura 3.3 mostra-se o transmissor 433 MHz utilizado no protótipo para pequenas distâncias, é utilizado em alarmes residencial e portão eletrônico, possui três pinos, a entrada dos dados digital (DATA), alimentação corrente continua VCC e o GND do circuito.
Figura 3.3 - Transmissor 433 MHz. Fonte: Cytron, 2008.
3.1.1 Entrada Analógica do Atmega 328
O microcontrolador Atmega 328 P possui seis entradas analógicas, através
dos pinos 23 ao 28, utilizou o pino 23 no projeto, como o microcontrolador só
71
trabalha internamente com dados digitais, estas entradas analógicas são convertidas
em dados digitais internamente pelo conversor analógico digital (ADC) ou conversor
(A/D), este converte em 10 bits de resolução (210 = 1024), e retorna um inteiro de 0 a
1023. O valor de resolução corresponde a uma tensão mínima nas entradas
analógica que é a voltagem de VCC dividido pelos 1024 (5 ÷ 1024 = 0,00488 V) (ou
4,88 mV, este é o degrau de cada variação da conversão 10 bits com referência de
5 volts por default, na Figura 3.4 é apresentado os degraus desta conversão .
Figura 3.4 - Degraus da conversão de 10 bits. Fonte: Elabora pelos autores, 2014.
3.2 MÓDULO TRANSMISSOR, PARA ENVIO DADOS AO SENSOR.
Na Figura 3.5 ilustra a entrada do sinal de 4 a 20 mA enviado pelo sensor de
nível e um resistor R1 de 250 Ω. Utiliza-se fórmula da lei de Ohm V = R x I, se acha
a tensão V é calculada em cima do resistor R1 que será lido pela entrada analógica
no pino 23 do ATmega 328.
Figura 3.5 - Entrada analógica pino 23 do ATmega 328
Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
72
Na Figura 3.6 apresenta um teste realizado, com aplicação de uma corrente
na entrada analógica com um instrumento de simulação de 4 a 20 mA no pino 23 do
Atmega 328 de 10 mA, utiliza-se a fórmula da lei de ohm V = R x I, V = 250 Ω x
0,010 A = 2,5 V, esta vai ser a tensão em cima do resistor 250 Ω, e a entrada
analógica no pino 23 do ATmega 328 lê esta tensão e converte em 10 bits de
resolução, como para cada 4,88 mV de variação do pino analógico muda o degrau,
2,5 V divido por 4,88 mV o resultado da conversão de um número inteiro de 10 bits
de aproximadamente 512. Como a corrente começa em 4 mA temos que descontar
do valor total lido, mas esta conversão é feita no receptor, na Figura 3.7 é mostrado
este teste que resulta em aproximadamente 1 V em cima do resistor de 250 Ω e na
Figura 3.8 ilustra o nivel máximo 20 mA que resulta numa tensão de 4,99 V.
Figura 3.6 - Teste de 10 mA na entrada analógica. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
Figura 3.7 - Teste de 4 mA na entrada analógica. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
73
Figura 3.8 - Teste de 20 mA na entrada analógica Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
3.2.1 Sketch da Programação do Transmissor
Sketch é uma Integrated Development Environment (IDE) para o
desenvolvimento de aplicações para Arduino. As funções desta IDE são
basicamente duas: O desenvolvimento do software e envio deste pela porta serial,
para gravar-se no microcontrolador ATmega 328 da placa do Arduino. A Figura 3.9
ilustra a estrutura da programação com a IDE do Arduino, e nela tem-se duas
funções básicas: O setup()e loop().
Inicialmente, antes da função setup ( ), declara-se as bibliotecas utilizadas no
programa e as variáveis. Na função setup ( ) esta é executada uma única vez e
dentro da função é descrito instruções gerais para preparar o programa antes que a
função loop ( ) seja executada.
A função loop ( ) é a função principal, e como o nome indica faz loop ( )
sucessivo, ou seja, todos os comandos descritos nesta função são sucessivamente
repetidos.
Figura 3.9 - Estrutura do programa na IDE Arduino. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
74
Na Figura 3.10 tem-se a descrição inicial do programa, primeiro é incluída a
biblioteca Virtual Wire, esta biblioteca fornece recursos para enviar ou receber dados
por RF, suporta uma série de receptores e transmissores de baixo custo, depois
declara as variáveis e atribui um valor a elas, SENSORNIVEL = A0, LED = 13 e TX =
10. Na função setup ( ), faz-se a inicialização das variáveis, das bibliotecas e da
comunicação serial, define os pinos entre outros, esta função é executada uma vez
quando o microcontrolador ATMEGA 328 for alimentado por 5 VCC ou quando for
acionado uma chave tipo mini push Button no Arduino UNO dando um reset manual.
No programa do transmissor a função pinMode (LED, OUTPUT) defini o pino
da variável LED como pino 13 de saída e a função pinMode (TX, OUTPUT) define a
variável TX como pino 10 de saída também. A comunicação serial inicia com um
taxa de transferência de 9600 baud-rate com a função Serial.begin (9600).
A função Serial.println (“Transmissor”) envia uma string pela porta serial e
pode ser visualizada pela IDE Arduino no ícone Serial Monitor. É possível também
enviar dados para o Arduino através da caixa de dialogo, desde que seu programa
tenha uma função específica para ler este dado vindo do Serial Monitor.
O programa continua na Figura 3.10 utiliza algumas das funções da biblioteca
Virtual Wire, esta função vw_set_tx_pin (TX) configura o pino de transmissão TX
como pino 10, e a função vw_setup (2000) inicializa a biblioteca Virtual Wire a uma
velocidade de 2000 bits por segundo (bps) na saída TX.
Figura 3.10 - Parte inicial do programa do módulo transmissor. Fonte: Elaborado pelos autores na IDE Arduino, 2014.
75
A função loop ( ), faz loops sucessivos em todos os comandos existentes
dentro dessa função, a função analogRead (SENSORNIVEL) permite a leitura
analógica no pino SENSORNIVEL (A0) e atribui seu valor para a variável DADOS do
tipo inteiro convertido na resolução de 10 bits, na linha Serial.println (DADOS) é
mostrado os dados guardado na variável DADOS no Monitor Serial.
A Figura 3.11 mostra a tela do Serial Monitor aberta recebendo dados da
porta serial COM 6.
Figura 3.11 - Sketch e tela do Serial Monitor. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
Na Figura 3.12, a variável char SensorcharMsg[10], é um array do tipo char
de 10 posições , a função Itoa converte os dados da variável DADOS que é um
inteiro em array do tipo char para variável SensorcharMsg para ser transmitido.
Acende o LED no pino 13 com a função digitalWrite (LED, HIGH) e transmite
os dados pela função vw_send ((uint8_t*)SensorCharMsg, strlen
(SensorCharmMsg)). Na saída do pino 10 está ligado o modulo de transmissão que
encarrega de enviar por RF, para aguardar o envio dos dados é utilizado a função
vw_wait_tx ( ), é possível monitorar os dados que foram enviados na porta serial
76
pelo Serial Monitor do Arduino através da função Serial.println (SensorCharMsg),
quando a transmissão termina a função digitalWrite (LED, LOW) apaga o LED,
depois espera um segundo com a função delay (1000) e retorna para o início do
loop.
Figura 3.12 - Parte final do programa da placa transmissora. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
3.3 MÓDULO RECEPTOR COM ARDUINO UNO
Este módulo faz a recepção dos dados transmitidos pela placa transmissora e
depois trata este sinal e o converte em porcentagem para ser exibido em um Liquid
Cristal Display (LCD), e também envia para a porta serial do computador para ser
utilizado pelo software de supervisão.
O módulo de recepção utiliza a placa de desenvolvimento Arduino UNO para
tratar os dados que são captados por RF no receptor de 433 MHZ e um display
modelo HD44780 de 16 colunas e 2 linhas.
Na Figura 3.13 é mostrado o esquema das ligações da placa Arduino UNO do
receptor 433 MHz e do display 16 x 2 com o uso de uma protoboard.
77
Figura 3.13 - Esquema do Arduino Uno na protoboard. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014. Na Figura 3.14 apresenta o módulo de recepção que opera na frequência de
433 MHz utilizado no projeto, o pino Vcc e alimentação de 5 V, Data é a saída dos
dados recebidos e GND do circuito.
Figura 3.14 - Receptor de 433 MHz Fonte: Cytron, 2012.
3.3.1 Sketch do Módulo Receptor (RX)
O sketch do módulo receptor é mostrado na Figura 3.15, o programa utiliza
duas bibliotecas a Virtual Wire já explicado no módulo transmissor e a biblioteca
78
LiquidCrystal, esta biblioteca é responsável por fazer a comunicação com o LCD. Na
declaração das variáveis é necessário informar quais pinos do Arduino UNO foram
utilizado para ligar o LCD, no projeto foram utilizados os pinos 2, 3, 4, 5, 11 e 12
conforme pode ser observado na função LiquidCristal lcd (12, 11, 5, 4, 3, 2).
Na função setup ( ), as informações mais relevante são: a declaração da
função pinMode (alarme, OUTPUT), este pino é utilizado para disparar um alarme
sonoro ou luminoso quando o nível estiver igual ou abaixo de 20% de sua
capacidade; a inicialização do display LCD com a função lcd.begin (16, 2), e
configurado para dezesseis colunas e duas linhas, pinMode (9, INPUT) nesta função
o pino nove passa a ser de entrada passado por parâmetro na função
vw_set_rx_pin (9), de recebimento dos dados; ativa o processo de recepção dos
dados com a função vw_rx_start ( ).
Figura 3.15 - Sketch parte a do Módulo receptor.
Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
Na Figura 3.16 é exibida a continuação do programa do módulo receptor na
função loop () as linhas mais relevante são: uint8_t buf [VM_MAX_MESSAGE_LEN],
79
recebe os dados do transmissor e guarda na variável buf; uint8_t buflen =
VM_MAX_MESSAGE_LEN, armazena na variável buflen o tamanho do dado
recebido do transmissor; a função vm_wait_rx_max (2000) espera dois segundos
por dados, caso não chegue a função retorna um false, se chegar dados retorna
verdadeiro e continua o programa.
Na sequência a variável c copia o conteúdo na variável buf; converte a
variável c em inteiro na instrução int Ni = atoi (c); na variável NIVEL os dados são
convertidos em porcentagem e enviados para o display.
Figura 3.16 - Scketch parte b do Módulo receptor. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
Na Figura 3.17 mostra a comparação os dados, caso o nível esteja abaixo de
368 (que equivale a 20%) executa a função digitalWrite (alarme, HIGH), que
ascende um LED ou acionar um sinal sonoro; se o nível for maior que 368 o LED
continua apagado; e em seguida envia o nível convertido em porcentagem na
80
função Serial.printiln (Nivel), pela porta do computador para ser lido também pelo
sistema de monitoramento.
A seguir na condição else é executado quando a função vm_wait_rx_max
(2000) descrita na Figura 3.16 retorna false, pois não recebeu nenhum dado depois
de dois segundos. Uma mensagem “Sem Dados” é enviado para o LCD.
Figura 3.17 - Sketch parte c Módulo receptor. Fonte:Elaborado pelos autores, 2014.
81
4 IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA DE SUPERVISÃO
Neste capítulo são descritos os diagramas de caso de uso, classe, o
diagrama de Modelagem de Entidade de Relacionamento (MER) para o
desenvolvimento do sistema, e as funcionalidades das telas do sistema de
supervisão.
4.1 DIAGRAMA DE CASO DE USO
Neste diagrama da Figura 4.1 apresenta suas funcionalidades e se tem uma
visão geral de como o sistema se comporta. Os atores principais são: sensor que é o
ator responsável por monitorar os níveis do reservatório e enviar estes dados para o
sistema de supervisão; ator usuário este é responsável por visualizar no sistema de
supervisão os níveis e gerar os relatórios.
Figura 4.1 - Caso de Uso Reservatório. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
4.2 DIAGRAMA DE CLASSE
Na Figura 4.2 é mostrado o diagrama de classe e os relacionamentos entre
eles, além de mostrar as características de cada classe.
82
Figura 4.2 - Diagrama de Classe. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
4.3 MER
Na Figura 4.3 apresenta o diagrama do Modelo de Entidade de
Relacionamento com as entidades com seus atributos e o relacionamento entre eles
e suas cardinalidades.
Figura 4.3 - Diagrama de Modelagem de Entidade Relacionamento. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
83
4.4 TELA DE LOGIN
A tela de login é a primeira que aparece para o usuário ao acessar o sistema
de monitoramento, o usuário informa o usuário e senha que foi previamente
cadastrado no banco de dado por um usuário com perfil de administrador, esta tela é
ilustrado pela Figura 4.4.
Figura 4.4 - Tela de Login para acesso ao sistema. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
4.5 MENU PRINCIPAL
Na Figura 4.5 apresenta a tela principal do sistema, na barra de menu tem-se
acesso a telas dos reservatórios elevados, relatório e cadastros, na área principal é
mostrada a data e hora atual e o nome do usuário que esta conectado.
Figura 4.5 - Tela Principal do Sistema. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
84
4.5.1 Subitens do Menu Reservatório Elevado
Na Figura 4.6 apresenta os itens do menu Reservatório Elevado, inicialmente
apenas o item Centro está habilitada.
Figura 4.6 - Tela dos subitens Reservatório Elevados. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
4.5.2 Tela de Monitoramento do Reservatório do Centro
A tela da Figura 4.7 apresenta um exemplo da tela de supervisão do
reservatório elevado do centro, com recepção dos dados de nível em porcentagem
do módulo receptor, esta tela ao ser instanciada inicializa um temporizador que
dispara de cinco em cinco minutos a gravação do nível, data, hora e o nome usuário
no banco de dados. Um tratamento foi realizado na classe que recebe os dados de
nível para informar o usuário que está responsável pela supervisão do reservatório
se o nível estiver abaixo de vinte por cento envia um aviso na tela de alerta de nível
crítico conforme ilustrado na Figura 4.8.
Figura 4.7 - Tela de Monitoramento de Nível. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
85
Figura 4.8 - Tela de Monitoramento de Nível com Alerta. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
4.5.3 Item do Menu Relatórios
Na Figura 4.9 apresenta no menu Relatórios o item Data que gera um
relatório a partir de uma data específica como ilustrado na Figura 4.10.
Figura 4.9 - Tela subitem Data do Menu Relatórios. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
Figura 4.10 - Tela de Gerar Relatório por data. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
86
Na Figura 4.11 mostra o relatório com as informações como: id do sensor,
nome do reservatório, volume, nome do usuário, data e hora.
O relatório implementado neste sistema utilizou um plug-iniReport 5.5.2 que é
um programa de código aberto para geração de relatórios em aplicação Java, que
utiliza o JasperReports.
Figura 4.11 - Tela de Relatório por Data. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
4.5.4 Telas dos Itens do Menu Cadastrar
Na Figura 4.12 é apresenta todos os itens de cadastro como: Usuário,
Reservatório e Sensor. Nestes formulários se faz o Create, Read, Update e Delete
(CRUD), inserir, listar, atualizar e excluir no banco de dados. E para ter acesso aos
cadastros é necessário que o usuário tenha perfil de administrador, usuário comum
não tem permissão.
Figura 4.12 - Menu Cadastrar. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
87
Na Figura 4.13 ilustra um simples formulário de cadastro do usuário para
acessar o sistema, é necessário informar apenas o nome, senha e tipo de acesso.
Figura 4.13 - Tela Cadastrar Usuário. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
No formulário de cadastro do Reservatório estão todos os dados relevantes
do reservatório como, local onde esta instalada, capacidade máxima do Reservatório
em metro cúbico, e o ID_SENSOR que é o sensor associado ao reservatório como
mostra na Figura 4.14.
Figura 4.14 - Tela de Cadastrar Reservatório. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
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Neste formulário são cadastrados os sensores de pressão com algumas
informações como: marca, modelo, capacidade tipo de medição e número de série
como mostra a Figura 4.15.
Figura 4.15 - Tela Cadastrar Sensor. Fonte: Elaborado pelos autores, 2014.
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CONCLUSÃO
Neste trabalho foi proposto e implementado um protótipo de um sistema de
monitoramento de nível em um reservatório de água pelo fato de não ter este
monitoramento de nível na maioria dos reservatórios elevados por falta de
investimento no setor.
Para tanto, utilizou-se hardware e software no seu desenvolvimento sem
alterar a automação existente e sim adicionar mais uma funcionalidade no sistema.
Os principais obstáculos encontrados no desenvolvimento deste protótipo
foram: a falta de conhecimento do hardware Arduino UNO e a sintaxe de
programação; e a forma para integração do software de supervisão desenvolvido em
linguagem Java com o software do Arduino que foram adquiridos com pesquisas na
internet, livros, apostilas, vídeos aulas e algumas bibliotecas e classes específicas.
Através destes estudos foi possível constatar que o projeto pode ser realizado
pelo fato do Arduino ser uma plataforma de desenvolvimento open source e existe
uma vasta documentação que auxilia no processo de desenvolvimento de projetos.
Para simular a transmissão e a recepção de dados foram realizados testes
com o uso do software serial monitor que faz parte da IDE de programação para
Arduino. Tais testes foram feitos durante várias horas e dias e de acordo com os
relatórios foi verificado a integridade dos dados armazenados no banco de dados.
Durante o desenvolvimento do protótipo surgiu algumas dificuldades de se
tratar alguns eventos, por não conhecer ou entender algumas funções das
bibliotecas utilizadas na programação do Arduino, que foi resolvida com o auxilio de
orientações de alguns professores da Fatec Lins.
Este protótipo desenvolvido foi o primeiro passo apesar das limitações, como
trabalhos futuros muitas melhorias podem ser realizadas, como por exemplo, a
criação de protocolos para identificar outros reservatórios e centralizar o
monitoramento, ou agregar outros tipos de sensores como vazão, temperatura,
umidade, e até mesmo substituir a funcionalidade do rádio de telecomando e
controlar o abastecimento dos reservatórios através de um software e também
substituir a tecnologia de comunicação, por exemplo, com o uso de redes sem fio.
90
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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