Arduino e Python: Do It Yourself

Jefferson Jardem Izaias de Souza1, Luís Bruno Pereira do Nascimento1, Paulo Rodrigues dos Santos Filho2

1Alunos Bacharelandos em Ciências da Computação pela Universidade Estadual do Piauí (UESPI)

Av. NS de Fátima - Parnaíba - PI, 64202-22001-970.

2 Bacharel em Ciências da Computação pela Universidade Estadual do Piauí (UESPI)Av. NS de Fátima - Parnaíba - PI, 64202-22001-970.

{jeffersonjardem,luisbrunu,paulofilhosantiago}@gmail.com

Abstract. This article encourages the use of open source technologies, where the user realizes their ideas using hardware platforms free to materialize them. This is due to the growth of free movement of hardware, inferred the possibility of an alternative for engineers and professionals to develop their projects and provide the dissemination of knowledge. Arduino projects and are part of this movement and gained some focus, so that everyone can contribute to a quality hardware and by using tools like Python, is expected to create a mature hardware, as well as in the free software movement.

Resumo. Este artigo incentiva a utilização de tecnologias open source, onde o usuário concretiza suas ideias usando plataformas de hardware livre para materializá-las. Isso se deve ao crescimento do movimento livre do hardware, inferido na possibilidade de ser uma alternativa para engenheiros e profissionais da área desenvolverem seus projetos e proporcionar a disseminação do conhecimento. Projetos como Arduino são parte desse movimento e ganharam certo enfoque, afim de que todos possam contribuir para um hardware de qualidade e através da utilização de ferramentas como Python, espera-se criar um hardware amadurecido, assim como acontece no movimento de software livre.

1. Introdução

A eletrônica tem evoluído muito nas ultimas décadas, dentre os muitos componentes que obtiveram sua popularização, estão os microcontroladores, que se comportam como computadores, pois possuem memórias, CPU, entrada e saída [ANGNES 2003], porém seus recursos são imensamente menores que os computadores atuais. Parte do sucesso deve-se aos entusiastas da filosofia Do It Yourself (DIY), do Inglês, faça você mesmo, incentivando muitos a criarem seus próprios protótipos devido ao baixo custo, a facilidade de confecção das placas de circuito impresso, e na aprendizagem, que requer apenas conhecimentos básicos de eletrônica, bem como o correto manuseio da linguagem de programação a ser utilizada por cada microcontrolador, podendo variar de acordo com o fabricante do mesmo.

A utilização de uma linguagem de programação de alto nível torna-se

imprescindível para fazer a comunicação entre o microcontrolador e o computador, pois o usuário poderá inserir as rotinas desejadas de acordo com suas necessidades, tudo isso em alto nível, diminuindo assim a complexidade de se manipular bits.

2. Objetivo

Conciliar o uso de uma plataforma de circuitos integrados com microcontrolador, fortalecendo assim o uso do Hardware Livre, visando solucionar problemas de natureza física junto a diversos componentes usados para a extensão dessa plataforma, permitindo que ela possa ter uma gama maior de utilidades potencializando suas funções. Dentre os componentes os que possuem maior relevância, estão os sensores tanto de luminosidade quanto de temperatura que captam oscilações no ambiente e transformam em sinais elétricos que serão identificados pela plataforma de circuitos.

Com o uso de uma Linguagem de programação de alto nível realizar a interface de comunicação entre o computador e o microcontrolador, captando os dados enviados ao computador, permitindo que o usuário faça a análise necessária.

3. Hardware Livre

Devido ao sucesso do software livre, no fim da década de 90, engenheiros inspirados pelo movimento de liberdade provocado pelo software, vem buscando maneiras de formalizar estes conceitos, antes utilizados somente em softwares, também no hardware. Porém em se tratando de dispositivos físicos, existem algumas peculiaridades inerentes a sua liberação, pois é simples duplicar um software e criar inúmeras cópias do mesmo, porém com hardware não é bem assim, logo que o equipamento utilizado é adquirido através de meios financeiros, então existe um custo, e este por possuir essas peculiaridades ainda não possui uma distinção fixa a respeito de Hardware Aberto e Hardware Livre, estando isso ainda em discussão [OSIER-MIXON 2011].

Figura 1. Logotipo do movimento do Open Hardware1.

Pelo fato de ser um pouco diferente, em certo sentido, hardware não é verdadeiramente livre, conforme fora predito, há um custo de investimento, e alguém terá que pagar por esse material adquirido, o hardware em si, que é um produto e que em consonância com [ANDERSON 2006], “devem obedecer a física dura dos átomos, não dos bits”. Um equipamento eletrônico nada mais é do que a materialização de uma idéia. Desta forma, este conceito de liberdade se encaixa perfeitamente aos diagramas, esquemas e demais documentos utilizados, como por exemplo o código fonte que é executado no dispositivo pode ser aberto e disponível, o uso desses documentos de

1 http://www.openhardware.org/

construção do hardware é mais complicado pelo fato de que uma ideia realacionada ao hardware normalmente tem uma patente, e que em muitos casos é bem genérica, o que torna mais difícil o desenvolvimento de algo livre coberto por essa patente.

Aos poucos os projetos de hardware livre vem ganhando espaço e os diversos colaboradores, sejam eles desenvolvedores, engenheiros e hobistas, adeptos da filosofia DIY, tendo simpatizantes do movimento livre espalhados pelo mundo inteiro, onde criam e participam de inúmeras comunidades virtuais ajudando na disseminação e criação de ideias formadas no âmbito da liberdade do conhecimento.

3.1. Projetos de Hardware Livre

Atualmente existem vários projetos de hardware livre que estão dando certo e dentre os mais variados tipos destacam-se os projetos da IBM com o Power Architecture2, um projeto de hardware, agora aberto, no qual a IBM colocou-o a disposição das instituições acadêmicas e de pesquisas de forma gratuita, afim de incentivar o crescimento do mesmo. A Sun Microsystems outro gigante do mercado tecnológico seguindo a onda da IBM, disponibilizou o OpenSPARC3, que é um projeto de microprocessadores baseados em Reduced Instruction Set Computer (RISC), sob a licença GNU Public Licence (GPL).

Outro projeto bem sucedido é o Arduino, relacionado à criação de um microcontrolador aberto acessível a todos os públicos, que se popularizou devido ao fácil manuseio e ao grande número de dispositivos fabricados por terceiros visando o seu complemento, como placas adicionais e sensores. Atualmente existem inúmeros projetos baseados no Arduino, inclusive no Brasil temos uma versão tupiniquim denominado Brasuino4.

4. Plataforma Arduino

O Arduino é uma plataforma de hardware livre destinada para desenvolvimento de protótipos eletrônicos capazes de interagir com o ambiente, usando ferramentas acessíveis, de baixo custo e usabilidade simples, ao alcance de profissionais de áreas não ligadas diretamente à eletrônica como computação, engenharia mecânica e etc. Essa plataforma pode ser dividida em duas partes: O hardware, que é representado por uma pequena placa de circuitos eletrônicos e o software, representado por uma IDE, juntamente com sua linguagem de programação própria, que servem para construir um sketch (código), o qual dirá o que a placa deve fazer [ARDUINO 2011].

4.1. O Hardware

O Arduino é uma placa de circuitos, baseada em um microcontrolador Atmel AVR de 8 bits, a qual resume-se a um modesto computador. Tomando por base o Arduino UNO, uma versão mais recente do projeto original, ele possui 14 pinos digitais de entrada e saída, dentre os quais 6 podem ser usados como saídas PWM (podem ser usados através de programação como pinos analógicos, os mesmo sendo digitais); 6 pinos de entrada

2 https://www.power.org/ 3 http://www.opensparc.net/ 4 http://brasuino.holoscopio.com/

analógica. Para alimentação possui: 3 pinos de GND (terra); 1 pino de saída para a alimentação de 3.3V e um de 5v; Possui um pino denominado Vin que serve de alimentação para quando estiver utilizando uma placa externa [BANZI 2008], [SANTOS 2008].

O Arduino UNO é um ATmega328, possuindo 32K de memoria flash para armazenar código, sendo 0,5 utilizado pelo bootloader (Pequeno software gravado no chip que permite fazer o upload dos códigos sem utilizar um outro hardware externo), possui 2KB de SRAN e 1KB de EEPRON[MULTILOGICA 2011].

A placa pode ser alimentada através da sua conexão USB ou através de outras fontes externas. Na alimentação externa pode ser usado baterias ou fontes. Existe um conector de alimentação no Arduino no qual pode conectar os cabos da fonte ou da bateria nele, ou então colocando o fio positivo da bateria no pino Vin (entrada de voltagem), e o negativo no Gnd (terra) do conector[SANTOS 2008], [MULTILOGICA 2011].

A placa pode trabalhar com uma alimentação externa de 6 a 20 volts, mas se for maior de 12V, o regulador de voltagem da placa pode superaquecer causando a danificação do Arduino, por isso é recomendado trabalhar na faixa de 7 a 12 volts [MULTILOGICA 2011].

Figura 2. Figura do Arduino UNO

4.2 O Software

Da mesma forma que a placa foi projetada para facilitar o aprendizado de pessoas não familiarizadas com a eletrônica, a programação também é bem simples de entender, compatível para iniciantes ou não-desenvolvedores. Essa parte do Arduino que trata do software, corresponde ao ambiente de desenvolvimento, o Arduino IDE. Ele foi baseado no Processing5. Tem sua distribuição livre (open-source), é escrito em linguagem Java e é multiplataforma, sendo possível sua instalação e utilização em Windows, MAC e Linux [ARDUINO 2001],[REAS e FRY 2011]. Possui linguagem de programação bem simples, semelhante à linguagens como C e C++ com inúmeras bibliotecas para facilitar na criação dos sketchs (código do programa).

Depois do código está pronto, deve-se compilá-lo e enviá-lo à placa. Isso é feito através do próprio Arduino IDE pelos comandos Verify/Compile e Upload to I/O Board respectivamente. O programa compilado é enviado para a placa via USB, onde assim que o Arduino é ligado, o bootloader é ativado e intende que o conteúdo que está vindo através da porta USB será armazenado dentro de si. Assim que termina a atualização do

5 http://processing.org

código na placa, ele já passa a ser executado, e essa execução será repetida enquanto o Arduino estiver ligado e alimentado.

Figura 3. Tela do Software Arduino IDE na versão 0022

4.3 Versões oficiais e clones do Arduino

Atualmente existem alguns variações oficiais de Arduino (Arduino UNO, Arduino Mini, LilyPad Arduino, Diacemila, etc.), os quais são fabricados pela empresa Smart Projects6, mas devido à sua política de hardware livre que possibilita a construção de placas baseadas nas versões oficiais, vieram surgindo outros modelos que atendiam aos critérios básicos de um Arduino, como já é previsto, e ainda são adicionados a ele novas funcionalidades, como por exemplo no Seeeduino Stalker, projeto derivado do Seeeduino, que por sua vez foi projetado a partir do esquema do Diacemila, sendo completamente compatível com o Arduino, em relação ao software, shields, IDE's, e que tem como adicional a possibilidade de conectar um cartão SD para armazenar informações, trabalhar facilmente com redes de sensores sem fio, etc. Abaixo as Figuras a, b e c demonstram exemplos de placas de Arduino.

(a) (b) (c)

Figura 4.a Arduino Fio7, 4.b Arduino LilyPad7 e 4.c Seeeduino Stalker8

6 http://www.smartprj.com/catalog/index.php 7 Exemplo de versões oficiais e distintas do Arduino. http://arduino.cc/en/Main/Hardware8 Das figuras, a única não oficial, mas baseada numa versão oficial.

4.4. Arduino Shield's

Shields são placas de circuito impresso que podem ser conectadas ao corpo Arduino através de seus pinos, afim de estender seus limites de trabalho. Existem inúmeros tipos de shields para as mais diversas funcionalidades [ARDUINO 2011].

4.4.1. Ethernet Shield

O Arduino Ethernet Shield permite que a placa Arduino seja conectada à rede, utilizando padrões de conectores RJ-45. Através dele é possível que o Arduino se conecte a outros hosts através da internet. Sua usabilidade é extremamente vasta e dependendo da sua função no sistema, ele pode se comportar como um servidor ou um cliente, de acordo com a programação do Arduino, sendo muito utilizado nas redes de sensores [ARDUINO 2011].

4.4.2. Xbee Shield

O Arduino XBee Shield possibilita que uma placa Arduino possa fazer uma comunicação sem fio com outros hosts da rede utilizando o protocolo ZigBee. Ele é baseado no módulo XBee da Maxstream9, onde pode-se conectá-lo ao PCB XBee Shield, e com algumas configurações no módulo, se torna possível a comunicação wireless. Essa tecnologia é muito usada nas RSSF (Redes de Sensores sem Fio) [ARDUINO 2011].

5. Sensores

Sensor é um dispositivo capaz de detectar ou perceber qualquer tipo de alteração no meio físico, transformando num tipo de resposta mensurável e tratada normalmente por outros equipamentos que fazem uso dessa informação para uma certa função [XXI SIMPÓSIO BRASILEIRO DE REDES DE COMPUTADORES 2003]. Dependendo de seu tipo, os sensores podem captar mudanças na temperatura do ambiente em que está empregado, na umidade, na luminosidade e entre muitos outros, que na sua grande maioria, trabalham transformando esses valores obtidos em um sinal elétrico [KILIAN 2006].

5.1 Sensor de temperatura LM35

O LM35 é um sensor de temperatura de precisão em que sua saída de tensão linear não é calibrada em °Kelvin como normalmente acontece, mas em °C [NATIONAL 2011]. Sua tensão de saída é proporcional a temperatura em °C, sendo que para cada sinal de 10mV em sua saída, tem-se um grau Celsius [NATIONAL 2011]. Possui um manuseio muito simples, sendo necessário apenas o uso do próprio sensor e uma interface que leia sua saída e a interprete, podendo acionar o Arduino, que recebe o sinal elétrico referente à temperatura capitada, e de acordo com a programação, os dados podem ser tratados e usados de acordo com a ideia do projeto [NATIONAL 2011].

5.2 Sensor de luminosidade LDR

9 www.maxstream.net

O LDR (Light Dependent Resistor) é um tipo de resistor que ao ser incidido uma quantidade de luz sobre ele, sua resistência diminui, isto é, enquanto um feixe de luz estiver incidindo, ele retorna uma resistência muito baixa, ou seja, sua resistência elétrica é inversamente proporcional à quantidade de energia luminosa sobre ele [ALVES e COTTS e JEN e BRITO 2011].

Pode-se citar uma utilização muito comum desse sensor, que seria os postes de energia. Quando anoitece, o sensor encontrado recebe uma menor incidência da luz solar, e em certo ponto a lógica do sistema faz com que a lâmpada acenda. Da mesma forma ao amanhecer, a luz solar vai incidindo ao sensor, consequentemente a lâmpada apaga.

Ele é de uso muito simples, bastando apenas uma interface para receber sua saída, interpretar e utilizar de acordo com a ideia. A interface citada seria o Arduino, que dependendo da programação, pode ter inúmeros modos de saídas, como acender um LED ao sessar a incidência de luz ao sensor, ou apenas mostrar em um display a tacha de incidência de energia luminosa.

5.2.1. Acionando um LED de acordo com a luminosidade

Esse sketch descreve passos para se adquirir uma resposta do sensor de luminosidade. Com esses dados obtidos do nível de luminosidade do local, faz-se um mapeamento, como uma proporção, que determina a intensidade do brilho do LED.

int pinSensor = 0; int leituraSensor; int LEDpin = 11; int brilhoLED;

void setup() { Serial.begin(9600); }

void loop() { leituraSensor = analogRead(pinSensor);

Serial.print("Analog reading = "); Serial.println(leituraSensor); // A leitura analógica crua

/* O LED ficará mais brilhante inversamente proporcional a iluminação do local, então precisa inverter a leitura para criar essa inversão */

leituraSensor = 1023 - leituraSensor; brilhoLED = map(leituraSensor, 0, 1023, 0, 255); analogWrite(LEDpin, brilhoLED); //Resposta do LED

delay(100);}

Figura 6. Esquema de montagem do Arduino e o sensor LDR

6. Python com Arduino

Grande parte das linguagens de programação atualmente possuem bibliotecas ou tem por padrão a capacidade de trabalhar com a comunicação de dados através da porta serial. Através do USB, o Arduino trabalha com essa comunicação para a atualização dos sketchs e para um possível envio de dados para o computador no qual está conectado, ou do computador para a o Arduino.

Com a possibilidade de comunicação recíproca entre o computador e o Arduino via serial, e de programar em uma linguagem a fim de gerar essa comunicação, se torna uma grande vantagem o uso da linguagem de programação, pois os projetos com Arduino podem ter uma interação com um usuário.

Python é considerada uma linguagem de altíssimo nível, pois sua sintaxe é simples e sua tipagem dinâmica, além de ser interpretada o que a torna excelente para scripting e robusta para os mais variados paradigmas entre eles a orientação a objetos. Com todos esses benefícios da linguagem, Python ainda surpreende por ser um software de código aberto estando disponível para a maioria dos sistemas operacionais.

Pelo fato de ser de alta produtividade e ter inúmeras bibliotecas para trabalhar em cima de diversos tipos de problemas, o Python se torna uma linguagem ideal para se utilizar na interface entre o computador e o microcontrolador. Essa interface pode se caracterizar por diversas formas, como um sistema web que armazena dados de um sensor e gera gráficos de acordo com a oscilação dos valores, uma pequena aplicação para controlar os movimentos de um robô, entre muitos outros, se limitando apenas à capacidade intelectual de quem está projetando.

Dentre as várias bibliotecas do Python que podem ser utilizadas para esse fim, existe uma que mais se destaca pela sua facilidade de manuseio, pySerial10, onde informa-se apenas os parâmetros para criar uma comunicação, onde através dessa comunicação a aplicação poderá ler ou enviar dados pelo computador para o microcontrolador.

10 http://pyserial.sourceforge.net/

6.1 Utilização da biblioteca pySerial na comunicação com o Arduino

Um pequeno exemplo prático da comunicação do Python com o Arduino está nos códigos a seguir, onde o Python envia o caractere “H” via serial diretamente para o dispositivo conectado na porta USB “/dev/ttyUSB0”, com taxa de transmissão de 9600 bps, sendo que o Arduino possui um sketch que lê esse caractere recebido e testa. Se ele for igual a 72 (número correspondente ao caractere “H” na tabela ASCII), envia corrente para o seu pino 13, onde um LED pode estar conectado e acenderá. Caso não for esse o caractere recebido, ele cessa o envio de energia para o pino, desligando o LED.

6.1.1. Em Python

import serial

porta = '/dev/ttyUSB0'

baud_rate = 9600

arduino = serial.Serial(porta, baud_rate)

arduino.write('H')

print arduino.read()

arduino.close()

6.1.2. Sketch na linguagem do Arduino

int ledPin = 13; int incomingByte = 0;

void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); Serial.begin(9600);}

void loop() { if (Serial.available() > 0) { incomingByte = Serial.read(); if (incomingByte == 72){ digitalWrite(ledPin, HIGH); } else { digitalWrite(ledPin, LOW); } }}

7. Conclusão

Este trabalho uma visão ampliada da plataforma de hardware livre, Arduino, trabalhando em conjunto com uma linguagem de altíssimo nível, Python, visando um melhor desempenho e expondo alternativas para desenvolvimento de ideias e sua concretização física expressa usando o hardware. Mostrando através da filosofia DIY que é possível realizar experimentos interessantes com uso de equipamentos simples como sensores e microcontroladores e conhecimentos mínimos de eletrônica, possibilitando que usuários com pouco conhecimento específico de Arduino possam

manipulá-lo, abrindo caminho para que em oportunidades futuras o hardware livre seja encarado com maior seriedade, tanto quanto o software livre é hoje.

Devido a baixa usabilidade dos scripts expostos na linguagem Python, torna-se de suma importância a futura criação de um ambiente gráfico mais amigável possibilitando o fácil manuseio do usuário, fazendo uso da ferramenta de desenvolvimento de aplicações web, Django, onde a mesma foi construída utilizando a linguagem Python. Sendo uma alternativa para uma observação remota dos dados e não precisando ter a linguagem instalada na máquina.

Referências

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ALVES, R. and COTTS R. and JEN, C. P. and BRITTO, A. LDR: Light Dependent Resistor. Disponível em: http://www.gta.ufrj.br/grad/01_1/contador555/ldr.htm. Acesso em: 03 de Agos. 2011.

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