Projeto de Eletrônica
O projeto de eletrônica lista e explica o uso de componentes relacionados ao sistema de telemetria e controle da solução.
Raspberry pi 3 +B
A Raspberry foi escolhida porque é um computador de placa única, significa que implementa todos os componentes de forma pequena e eficiente apesar de ter a capacidade de funcionalidades de um computador completo com processador, memoria ram e placa de video. Dessa forma é capaz de processar informações e utilizar um sistema operacional embarcado comum Linux de fácil implementação que facilita a realização do projeto.
O tamanho e o fato de ser um computador feito e projeto por uma única empresa também significa que possui uma integração bem otimizada e nesse caso um consumo energético pequeno. O projeto pode utilizar isso pois visa um dispositivo que possa funcionar sem intervenção humana por muitos dias. O baixo consumo então permite o uso racional da energia fornecida pela bateria.
O computador Raspberry também permite conexão WiFi que é essencial para o projeto além da implementação de um modem GSM para ambientes sem internet local. O numero de GPIOs também foi importante para a escolha da Raspberry que possui 40 pinos GPIO e como os dispositivo utiliza muitos sensores e atuadores, esse número atendeu a todas as demandas e ainda tem pinos sobrando para mudanças no futuro do projeto.
| Parâmetros | Especificações |
|---|---|
| Tensão de entrada | 5 V (entrada) |
| Processador | Broadcom BCM2837B0 quad-core Cortex-A53 de 64 bits |
| Velocidade do Processador | 1,4 GHz |
| Memória RAM | 1 GB LPDDR2 |
| GPIOs | 40 pinos |
| Entradas Conversoras Analógica/Digital | A Raspberry Pi 3 B+ não possui conversores analógico/digital internos |
| UART | 1 UART |
Webcam C925e
Essa webcam foi escolhida pois o grupo já a possuía. O fato de utilizar uma resolução 1080p é suficiente e perfeito para implementar o reconhecimento de imagens e testar suas capacidades para esse cenário. O reconhecimento de número de larvas pela camera não deve ser tão difícil quanto outras situações como reconhecimento de placas de carros ou facial, isso porque a imagem será sempre a mesma e com a luz controlada. A imagem será checada para questão de luminosidade e caso necessário será desligado ou ligado os LED. Para a etapa 2 do projeto foi implementado um código que funciona da seguinte forma: - Aguarda 3 segundos para estabilização da câmera; - Faz a captura de 3 fotos em sequência com intervalo de 1 segundo entre cada captura; - Armazena as fotos num diretório; - Envia para o servidor assim que a conexão com a internet estiver disponível.
Compatibilidade e Integração Técnica:
A integração da Webcam C925e foi relativamente direta, pois a Raspberry Pi suporta dispositivos USB nativamente. O desafio principal foi a estabilização e a sincronização da captura de imagens. A estabilização da câmera antes de capturar imagens e o envio das fotos para o servidor foram processos bem geridos com scripts que controlam os tempos e a qualidade das imagens capturadas.
Relé JQC3F Temporizador Digital Ajustável
Esse dispositivo temporizador e modelo de relé foi escolhido pois possui um sistema integrado que permite a temporização individual sem estar sob o controle da Raspberry, isso é necessário para ligar e desligar a Raspberry que não possui essa função nativa, apenas ligando no momento que é fornecido tensão na entrada de 3V da mesma. Dessa forma será evitado que a Raspberry fique ligada no momento que não tem operações sendo realizadas e menor custo energético para o projeto. Esse relé pode ser alimentado diretamente pela bateria de 24v e isso facilita a implementação. Será utilizado outros dois relés do mesmo modelo mas sem sistema temporizador pois serão usados para operar a bomba e LEDs. Esses serão controlados pela Raspberry quando estiver ligada.
Características de Corrente, Tempo de Resposta e Durabilidade:
Capacidade de Corrente: Este relé possui uma capacidade nominal de corrente de até 10A, o que é suficiente para a maioria dos dispositivos que precisam ser controlados no projeto, como a Raspberry Pi.
Tempo de Resposta: O tempo de resposta do relé JQC3F é aproximadamente 10 ms (milissegundos), o que é adequado para as necessidades do projeto, garantindo que os dispositivos sejam ligados e desligados rapidamente.
Durabilidade: O JQC3F é projetado para uma longa vida útil, com uma durabilidade de cerca de 100.000 operações elétricas. Essa durabilidade é importante para garantir a confiabilidade do sistema ao longo do tempo.
Compatibilidade e Integração Técnica:
A utilização de um relé temporizador fora do controle direto da Raspberry Pi foi uma escolha estratégica para reduzir o consumo energético, já que permitirá ligar a raspberry apenas em horários de operação, evitando que a mesma fique ligada e consumindo energia o tempo inteiro. Isso é nescessario pois a raspberry nao possui um sistema nativo de baixo consumo, logo ela quando ligada consome constantemente 3 watts e no max 15 watts em momento de pico. Dessa forma o relé garante que até mesmo esses 3 watts pode ser evitado o consumo que provavelmente será bem menor pelo relé, apesar que não foi possivel confirmar o consumo do relé durante os trabalhos. O desafio aqui foi sincronizar a temporização do relé com as operações da Raspberry Pi, garantindo que a Pi estivesse desligada quando não fosse necessária, sem perder dados críticos ou comprometer o funcionamento do sistema.
Módulo Rele 2 canais com optoacoplador
Esse Módulo Relé possui 2 reles de 1 canal 3V com interface padrão TTL, que pode ser controlado diretamente por diversos Microcontroladores (Arduino, 8051, AVR, PIC, DSP, ARM, ARM, MSP430, Raspberry).
Na etapa 2 do projeto foram implementados códigos de acionamento dos relés para o controle dos leds e da bomba de água. O código de acionamento do relé que controla os Leds funciona da seguinte forma: - É definido o pino GPIO da raspberry que está conectado ao relé; - O GPIO é configurado como saída; - O relé recebe nível lógico alto acionando os leds durante 15 segundos, tempo suficiente para a captura das fotos; - Após os 15 segundos o relé é desativado, desligando os leds.
Características de Corrente, Tempo de Resposta e Durabilidade:
Capacidade de Corrente: Cada canal do módulo relé pode suportar correntes de até 10A a 250V AC ou 30V DC, o que o torna ideal para controlar dispositivos de alta corrente, como a bomba de água.
Tempo de Resposta: Os relés no módulo possuem um tempo de resposta rápido, na faixa de 5 a 10 ms, garantindo operações rápidas e eficientes.
Durabilidade: Com uma durabilidade de cerca de 100.000 operações elétricas, os relés no módulo são adequados para uso prolongado no projeto, proporcionando confiabilidade a longo prazo.
Compatibilidade e Integração Técnica:
A compatibilidade do módulo relé com a Raspberry Pi foi facilitada pela interface padrão TTL. O uso de optoacopladores 817C ajudou a proteger a Raspberry Pi de picos de corrente e interferências, um desafio comum em projetos que envolvem acionamento de dispositivos de alta corrente, como bomba de água, aumentando a segurança e a integridade do sistema.
Garantir que os relés selecionados fossem adequados para as correntes e tensões dos dispositivos conectados foi um desafio. Isso porque a maioria dos relés encontrados no mercado são operados com a tensão de 5V, pois é a tensão utilizada por grande parte das placas de desenvolvimento como o arduino. Nesse caso então foi escolhido um que dê originalmente operasse com os 3,3V fornecidos pela raspberry e foi a forma encontrada de lidar com esse problema. A outra forma estudada seria utilizar um controlador arduino comandado pela raspberry para operar os relés, mas isso seria um trabalho a mais desnecessário.
Bomba de água 22w 800l/h 24v Dc
Essa bomba foi escolhida por apresentar a tensão de operação correta para o projeto. O fluxo de água que é possível movimentar também é importante pois é necessário um fluxo alto para garantir que nenhuma larva fique no reservatório superior e seja descartada. Uma bomba de aquário pequena de 12V consegue realizar um fluxo de 200L/h enquanto essa bomba consegue 4x com um valor de 800L/h e ainda está dentro do que é possível ser operado pelo conjunto de baterias. O consumo de energia é importante mas o período de utilização será pequeno de apenas alguns segundo deixando o consumo baixo.
O acionamento da bomba é feito através de um relé que é controlado através da raspberry, com um código que funciona conforme o descrito abaixo: - É feita a configuração do GPIO da raspberry; - Verifica a hora atual; - Verifica se está dentro do horário das 17:00 às 17:59 e se a bomba ainda não foi ligada; - Se essas condições forem verdadeiras, a bomba é ligada por 30 segundos e a variável bomba_ligada é atualizada para True; - Às 18:00, a variável bomba_ligada é redefinida para False para que a bomba possa ser ligada novamente no próximo dia às 17:00.
Compatibilidade e Integração Técnica:
A bomba de água, controlada pelo relé, exigiu um planejamento cuidadoso para garantir que o relé pudesse manejar a corrente necessária sem falhas. A configuração de horários específicos e tempo curto para a operação da bomba minimiza o consumo de energia e evita sobrecargas.
Um dos maiores desafios do projeto foi a sincronização de operações. A necessidade de sincronizar as operações dos relés com os LEDS, com tempos de acionamento da bomba de água, e captura de imagens demandou um controle preciso do tempo e eventos.
Sensor de nível de água horizontal tipo boia
O sensor foi escolhido por ser uma solução prática e simples para controlar o nível de água do reservatório inferior. O controle de nível no reservatório inferior é necessário para evitar que a bomba de água opere em vazio e sofra danos. Esse sensor é utilizado para controle de nível em aquários, tanques, recipientes de enchimento entre outros. Quando o líquido chega a um determinado nível, é acionado uma chave, que é utilizado para enviar a informação do nível do liquido a um dispositivo. Esse sensor é compatível com a maioria dos microcontroladores do mercado como PIC, Arduino e Raspberry.
A obtenção dos dados do nível da água foi realizado através do código que funciona conforme o descrito abaixo: - É feita a configuração do GPIO da raspberry; - O sensor_pin é configurado como uma entrada com um resistor pull-up interno. Isso garante que o pino seja "puxado" para 3.3V quando o sensor está aberto (sem contato); - É definida uma função a ser chamada quando o estado do sensor muda; - Mantém o script rodando indefinidamente, monitorando o estado do sensor e respondendo a mudanças.
Compatibilidade e Integração Técnica:
A simplicidade desse sensor facilitou a integração, pois ele funciona como um interruptor que pode ser facilmente lido pela Raspberry Pi. No entanto, garantir a precisão e a confiabilidade do sensor em condições variáveis de operação foi um desafio superado com múltiplos testes e calibrações.
Modulo GPS USB
O modulo GPS foi escolhido pois utiliza conexão usb, evitando o uso a mais de "Jumpers" evitando o risco de desconectar durante o uso. Utiliza biblioteca GPSD para o sistema operacional Linux.
Sensor de temperatura Ds18b20
O sensor foi escolhido pois utiliza uma interface presente na Raspberry, interface de comunicação de fio único que normalmente é utilizada no GPIO 4. Essa interface é extremamente simples e fácil de implementar. Esse dispositivo também apresenta uma faixa de operação muito boa entre -55 C° e +125 C°, como é esperado que o sistema opere entre 5 e 30° então está corretamente especificado. O sensor confirma a temperatura da água para pesquisadores que queiram esse dado, mas também para controle da temperatura do reservatório superior. Isso é necessário para que a água esteja em temperatura adequada para as larvas e isso leve a mais mosquitos depositarem ali.
Na etapa 2 do projeto foi implementado um código para extração dos dados do sensor que funciona da seguinte forma: - É definido o diretório base onde os dispositivos 1-Wire são montados; - Lê as linhas brutas do arquivo w1_slave que contém os dados do sensor; - Processa as linhas para extrair a temperatura em graus Celsius; - Lê a temperatura e a imprime no console a cada segundo.
Compatibilidade e Integração Técnica:
O sensor DS18B20 utiliza a interface de comunicação 1-Wire, que é suportada diretamente pela Raspberry Pi. Implementar a leitura do sensor foi facilitado pela disponibilidade de bibliotecas e suporte comunitário.
Todos os códigos citados neste documento estão disponíveis neste link.
Manutenção do sistema
Plano de Manutenção:
Inspeções Regulares:
Frequência: Semanal
Atividades: Verificar o nível de água, estado das baterias, funcionamento dos LEDs, bomba e sensores. Inspecionar a integridade da estrutura (plástico, tubos de PVC e alumínio).
Limpeza:
Frequência: Quinzenal
Atividades: Limpeza da armadilha, troca da água e substituição do filtro para remover detritos e resíduos acumulados que possam interferir no funcionamento dos sensores e da câmera.
Substituição de Componentes:
Frequência: Conforme necessidade (baseado em inspeções)
Atividades: Substituir baterias desgastadas, sensores ou LEDs defeituosos e componentes estruturais danificados.
Atualização de Software:
Frequência: Conforme necessário.
Atividades: Verificar e instalar atualizações de software disponíveis para o aplicativo móvel e firmware dos componentes eletrônicos, garantindo a correção de bugs e a adição de novas funcionalidades.
Futuras Melhorias do Sistema
* Implementação de Sensores Adicionais:
Adicionar novos sensores que possam monitorar outros parâmetros ambientais relevantes, como umidade relativa do ar que poderia ajudar a monitorar a incidencia de chuva na região. Um microfone que poderia identificar a especime do mosquitos apenas pelo som. Esses sensores iriam complementar as informaçoes adquiridas.
* Aprimoramento da Conectividade:
Implementação de conectividade LoRa para melhorar a comunicação de dados em áreas com cobertura de internet limitada.
* Redundância e Resiliência:
Introduzir redundâncias para componentes críticos, como a utilização de múltiplos sensores de nível de água e temperatura, garantindo que o sistema continue operando corretamente em caso de falha de um sensor. Tambem a implementaçao do sensor de tensão e corrente teve problemas, esse sensor seria muito importante avisando por exemplo quando o motor tivesse algum defeito.
Histórico de versões
| Versão | Alteração | Data | Autor |
|---|---|---|---|
| 1.0 | Criação do documento e seu conteúdo | 26/04/2024 | Gabriel e Jhessica |
| 1.1 | Atualização do documento | 30/05/2024 | Jhessica |
| 1.2 | Atualização do documento | 11/07/2024 | Jhessica |
| 1.3 | Atualização do documento | 12/07/2024 | Gabriel |