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UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
JOED LOPES DA SILVA
LUIZ FERNANDO OMENA PADILHA
Estação meteorológica para regiões remotas
Curitiba - PR
2011
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JOED LOPES DA SILVA
LUIZ FERNANDO OMENA PADILHA
Estação meteorológica para regiões remotas
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao curso de Engenharia da Computação da
Universidade Positivo como requisito parcial à
obtenção do título de Engenheiro da
Computação.
Prof. Alessandro Brawerman
Orientador
Curitiba - PR
2011
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TERMO DE APROVAÇÃO
Joed Lopes da Silva
Luiz Fernando Omena Padilha
Estação meteorológica para regiões remotas
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso
de Engenharia da
Computação da Universidade Positivo, pela seguinte banca
examinadora:
Prof. Alessandro Brawerman (Orientador)
Prof. Valfredo Pilla Jr.
Prof. José Carlos da Cunha
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AGRADECIMENTOS
Ao Professor Alessandro Brawerman, obrigado pela paciência na
orientação e
incentivo que tornaram possível a conclusão deste projeto.
A todos os professores do curso de Engenharia da Computação da
Universidade
Positivo, pela sua importância em nossa vida acadêmica.
Joed Lopes da Silva
A Deus, por ter me concedido a oportunidade de realizar este
projeto e por estar
sempre comigo.
Aos meus pais Edmilson e Joana e meu irmão Camilo, que estiveram
presentes em
todos os momentos, apoiando-me em todas as escolhas e por
acreditarem na minha
capacidade.
A minha namorada Aline Sestren que esteve sempre presente no
decorrer deste
projeto.
Aos meus familiares e ao professor Giancarlo de França Aguiar,
por ter sido um
exemplo pelo qual sempre irei me espelhar.
Luiz Fernando Omena Padilha
Aos meus pais e toda minha família que, com muito amor, carinho
e paciência não
mediram esforços para que eu completasse esta etapa da minha
vida.
Aos amigos e colegas, em especial Caroline e Vinicius, pelo
carinho e apoio durante
o curso.
“É difícil fazer previsões, especialmente sobre o futuro.”
(Niels Bohr)
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RESUMO
Este trabalho tem por objetivo apresentar uma estação
meteorológica completamente
autônoma para ser utilizada em regiões de difícil acesso ou
desprovidas de energia
elétrica. Esta ideia surgiu a partir das crescentes necessidades
dos praticantes de voo
livre. O projeto toma como base dificuldades na prática do voo
livre, esporte que requer
a compreensão de instrumentos avançados de voo como o altímetro,
barômetro,
variômetro e GPS, além da análise das condições climáticas,
estudo dos ventos e
observação das nuvens. A necessidade de se fazer todas estas
observações durante o voo
pode ser minimizada quando se dispõe de informações precisas no
local da prática do
esporte, antes de praticá-lo efetivamente. A partir destas
observações foi proposto o
desenvolvimento de uma estação meteorológica que possa ser
utilizada em locais
remotos, contendo sensores de temperatura, velocidade e direção
do vento, umidade,
pressão atmosférica e captura de imagens, além de um sistema que
possa enviar dados
para um servidor Web com informações em tempo real das condições
atmosféricas no
local. O sistema é alimentado por bateria recarregável com
células solares capazes de
prover a autonomia necessária para o seu funcionamento sem a
necessidade de ligações
elétricas. Todo o projeto foi desenvolvido procurando reduzir ao
máximo as partes
expostas diretamente as intempéries. Após extensivos testes o
projeto se mostrou
expansível e comercializável, já que seu custo é bem reduzido
quando produzido em
escalas maiores. Secundariamente, o projeto pode ser expandido
para outras áreas de
atuação como o monitoramento de regiões agrícolas e de pastagem,
além de ser uma
opção de sistema meteorológico completo de baixo custo para
pequenas cidades e
povoados.
Palavras-chave: estação meteorológica, GPRS, sensores.
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ABSTRACT
The main objective of this project is to develop a fully
autonomous weather station
to be placed in areas of difficult access or with lack of
electricity. This idea came from
the growing needs of pilots on free-flying sports. The main idea
was brought by the
difficulties when practicing free-flight as it requires an
advanced understanding of flight
instruments such as the altimeter, barometer, variometer and
GPS, as well as
understanding different weather conditions, the study of the
winds and observation of
cloud movement. The need to do all these observations can be
reduced when pilots have
accurate information from the practice site before the pilot can
effectively fly. After
facing these difficulties the development of a weather station
that can be used in remote
locations was purposed. This weather station contains several
sensors, such as
temperature, wind speed and direction, humidity, atmospheric
pressure as well as image
capture and a system to stream all this data to a Web server and
present this information
on the Internet. The system is powered by a rechargeable battery
with solar cells
connected to it providing the needed charge for the system to
operate indefinitely
without the need of any wiring. The entire project was developed
aiming to expose only
the sensors to direct weather. After extensive testing it has
proven to be scalable and can
be easily inserted on the market as its final cost can be
significantly reduced when
produced in large scale. It has also proven to be effective on
monitoring agricultural and
grazing regions, as well as being a complete low-cost weather
station for small cities
and villages.
Keywords: weather station, GPRS, sensors.
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ACK Acknowledgement
Baud Rate Velocidade de sinalização, taxa de transmissão
serial
CPTEC Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos
CRC Verificação de Redundância Cíclica
EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution
FIFO First In First Out
GMT Greenwich Meridian Time
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile Communications
I²C Inter Integrated Comunication
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
IP Internet Protocol
Kbps Kilobits por segundo
Km Quilômetro
m metros
mA Miliampere
PHP PHP: Hypertext Preprocessor
PIC Peripheral Interface Controller
PR Paraná
RJ Registered Jack
RS-232 Recommended Standard 232
SMS Short Message Service
SPI Serial Peripheral Interface
TTL Transistor to Transistor Logic
UDP User Datagram Protocol
V Volts
W Watts
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LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Meteograma Eta/CPTEC 20 para
Curitiba................................................... 16
Figura 3.1: Diagrama de funcionamento da estação meteorológica.
.............................. 19 Figura 3.2: Estrutura de hardware
do sistema.
............................................................... 20
Figura 3.3: Estrutura básica do firmware do sistema.
.................................................... 21 Figura 3.4:
Pinos utilizados no Microcontrolador 18F4550.
.......................................... 22 Figura 3.5: Modem
GPRS modelo ADH8066.
.............................................................. 22
Figura 3.6: Frente e verso do relógio de tempo real,
respectivamente. .......................... 23 Figura 3.7: Fluxo de
dados dos sensores.
.......................................................................
23 Figura 3.8: Anemômetro.
...............................................................................................
24 Figura 3.9: Imagem do sensor de
pressão.......................................................................
25 Figura 3.10: Imagem computadorizada do sensor.
......................................................... 25 Figura
3.11: Câmera VGA JPEG.
..................................................................................
26 Figura 3.12: Diagrama de Sequência do funcionamento do projeto.
............................. 27 Figura 3.13: Fluxograma do
software do Microcontrolador.
......................................... 28 Figura 3.14:
Arquitetura do servidor Web.
....................................................................
29 Figura 3.15: Modelo Entidade Relacionamento do servidor.
......................................... 30 Figura 3.16: Diagrama
de Entidades e Relacionamentos do servidor.
........................... 31 Figura 3.17: Diagrama de classes do
servidor Web.
...................................................... 32 Figura
3.18: Padrão de pacote de dados.
........................................................................
33 Figura 3.19: Captura da tela principal.
...........................................................................
34 Figura 3.20: Tela para dispositivos móveis.
...................................................................
35 Figura 4.1: Tempo médio para salvar pacotes no banco de dados.
................................ 37 Figura 4.2: Tempo médio para
processar pacotes.
......................................................... 38 Figura
4.3: Gráfico de carregamento da bateria.
............................................................ 39
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LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1: Conversão entre valores do A/D e direção do vento.
.................................. 24 Tabela 3.2: Custos
aproximados do projeto.
..................................................................
34
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO
..................................................................................
11 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
........................................................ 13 2.1 I²C
...........................................................................................................................................
13 2.2 1-Wire
.....................................................................................................................................
13 2.3 RS-232
....................................................................................................................................
14 2.4
SPI...........................................................................................................................................
14 2.5 GPRS
......................................................................................................................................
14 2.6 Cliente/servidor
.....................................................................................................................
15 2.7 Meteograma
...........................................................................................................................
15 2.8 Trabalhos relacionados
.........................................................................................................
17 3. ESPECIFICAÇÃO
.............................................................................
18 3.1 Visão
Geral.............................................................................................................................
18 3.2 Características do Projeto
....................................................................................................
19 3.3 Requisitos
...............................................................................................................................
20 3.4 Arquitetura de Hardware
.....................................................................................................
20 3.5 Anemômetro
..........................................................................................................................
23 3.6 Barômetro
..............................................................................................................................
24 3.7 Temperatura/Umidade
.........................................................................................................
25 3.8 Nebulosidade (câmera fotográfica)
......................................................................................
25 3.9 Servidor remoto
.....................................................................................................................
26 3.10
Software..................................................................................................................................
26 3.11 Protocolo de comunicação
....................................................................................................
33 3.12 Custos
.....................................................................................................................................
33 3.13 Interface visual
......................................................................................................................
34 4. TESTES E VALIDAÇÃO
...................................................................
36 4.1 Tempo de processamento
......................................................................................................
36 4.2 Consumo de energia
..............................................................................................................
38 4.3 Testes em campo e validação dos dados
..............................................................................
39 5. CONCLUSÃO
....................................................................................
40 6. REFERÊNCIAS
.................................................................................
41 ANEXO A - DIAGRAMA DO MICROCONTROLADOR 18F4550 .............. 43
ANEXO B - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO SENSOR BMP085 ............. 44
ANEXO C - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO SENSOR SHT15 ............... 45
ANEXO D - ESCALA DE BEAUFORT
........................................................ 46
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11
1. INTRODUÇÃO
“É dever do Estado fomentar práticas desportivas formais e não
formais, como
direito de todos”. Desta forma inicia-se o Art. 174 da
Constituição do Estado de Santa
Catarina. Dentre estes esportes se destaca o voo livre que vem
sendo cada vez mais
praticado pelos interessados na sensação de voar (SEÇÃO IV – Do
Desporto. Art. 174.
Constituição do Estado de Santa Catarina).
O voo livre é um esporte radical aéreo não motorizado que
utiliza a atividade
térmica e o deslocamento das massas de ar para a realização de
voos de pequenas e
grandes distâncias. Suas duas modalidades principais são o
parapente (paragliding) e
asa-delta (hang gliding).
O sonho do voo livre vem sendo conquistado desde quando Leonardo
Da Vinci
desenvolveu seu primeiro paraquedas, mas foi na metade dos anos
60 que David Barish,
desenvolvedor de protótipos de recuperação de cápsulas espaciais
para a NASA, teve a
ideia de sugerir o slope soaring (conhecido no Brasil como “voo
de lift” ou ascendência
orográfica) (HOCHSTEINER, 2002).
Além do voo de lift há também o voo termal, que utiliza o
aquecimento irregular das
superfícies (superfícies rochosas esquentam mais rápido que
florestas, por exemplo) que
por sua vez geram bolhas de ar quente que se desprendem e sobem
até a base das
nuvens. Ao voar dentro destas bolhas é possível ganhar altitude,
chegando em alguns
casos a mais de sete mil metros de altura (HOCHSTEINER,
2002).
A ascendência orográfica ocorre quando o vento atinge um
obstáculo, como um
pequeno morro, montanha ou cordilheira, e cria uma corrente
ascendente de ar forte o
suficiente para manter no ar parapentes e asas-delta
(HOCHSTEINER, 2002).
Há algumas décadas quando a tecnologia ainda era precária era
possível decidir pelo
voo através dos métodos de avaliação da intensidade dos ventos
como a Escala de
Beaufort (apresentada no Anexo D). Hoje em dia, porém, praticar
este esporte requer a
compreensão de instrumentos avançados de voo como o altímetro,
barômetro,
variômetro e GPS (Global Positioning System), além da análise
das condições
climáticas com conhecimentos de geografia para o estudo dos
ventos e observação das
nuvens. A necessidade de se fazer todas estas observações
durante o voo pode ser
minimizada quando se dispõe de informações precisas no local da
prática do esporte,
antes de decolar.
Estas informações são difíceis de serem obtidas já que
normalmente estes locais
estão relativamente afastados das grandes cidades e os centros
meteorológicos das
metrópoles não apresentam informações precisas para regiões
distantes. Hoje em dia
para a prática do esporte é realizada uma pré-analise das
condições do local utilizando-
se meteogramas gerados pelos centros de previsão do tempo das
grandes cidades. Os
meteogramas para diversas regiões do país são normalmente
obtidos do CPTEC (Centro
de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos), uma divisão do INPE
(Instituto Nacional
de Pesquisas Espaciais) (CPTEC, 2006).
É essencial saber as condições meteorológicas específicas para
voo, caso contrário
sua prática se torna extremamente arriscada, porém as condições
apresentadas nas
cidades próximas às áreas de voo pode não ser a mesma
apresentada nos locais
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propícios para o esporte. Por este motivo tem-se como objetivo
do projeto criar uma
estação meteorológica que possa oferecer informações precisas e
em tempo real sobre as
condições meteorológicas no local do voo. A solução proposta
coleta dados de
temperatura, velocidade/direção do vento, nebulosidade, umidade
e pressão atmosférica,
e envia estas informações para um servidor Web, possibilitando
seu acesso a partir de
um celular, computador pessoal ou notebook. A estação é
alimentada por uma bateria
recarregável com células solares capazes de prover a autonomia
necessária para o seu
funcionamento.
Secundariamente, este projeto pode ser utilizado em regiões
agrícolas para o
monitoramento das condições atuais em plantações, em pequenas
cidades como
principal fonte de monitoramento meteorológico e em
empreendimentos privados
diversos como campos de golfe, hípicas e clubes campestres. Este
trabalho visa
apresentar o desenvolvimento do projeto por completo, seus
testes e conclusões.
O restante desta monografia apresenta no Capítulo 2 a
fundamentação teórica, no
Capítulo 3 o desenvolvimento do projeto, no Capítulo 4 os testes
e resultados obtidos e
por fim no Capítulo 5 as conclusões obtidas após o término do
projeto.
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13
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Este capítulo apresenta os conceitos necessários para a
compreensão do projeto
como um todo.
2.1 I²C
O protocolo I²C é bastante utilizado na comunicação entre
dispositivos de um
mesmo circuito. Foi desenvolvido pela Philips na década de 1990
para facilitar o
desenvolvimento de aplicações modulares, sendo encontrado em
diversos aparelhos
eletrônicos de consumo geral (PHILIPS, 2011).
É um protocolo de comunicação serial síncrono que utiliza dois
fios, sendo um de
clock e outro de dados. Segundo a especificação os dispositivos
a serem conectados
devem utilizar saídas de coletor aberto, o que permite a ligação
de diversos dispositivos
nos mesmos fios, formando uma rede. A velocidade de transmissão
pode variar de
100Kbps a 3,4Mbps, conforme o dispositivo e a versão do
protocolo. O número
máximo de dispositivos conectados a um mesmo barramento é
limitada pela
capacitância máxima de 400pF (EADY, 2004).
Como todos os protocolos síncronos, o I²C é do tipo
mestre-escravo, porém suporta
mais de um mestre. Neste projeto o protocolo I²C é utilizado na
comunicação do RTC e
do barômetro com o Microcontrolador, onde este atua como mestre
e aqueles como
escravos.
2.2 1-Wire
A tecnologia 1-Wire da Dallas Semiconductor Corp. oferece um
protocolo de
comunicação de baixa velocidade e alimentação através de um
único sinal. Esta
tecnologia é feita para comunicação em sistemas de baixo custo e
é muito utilizada em
sensores, monitores de bateria e chaveiros inteligentes por seu
baixo custo e fácil
implementação (DALLAS, 2011).
Cada dispositivo 1-Wire possui seu próprio número serial de 64
bits que é utilizado
para requisitar dados do dispositivo. O número é composto por
três partes: a primeira é
o código da família, com 8 bits, em seguida o endereço do
componente com 6 bits e por
fim 1 bit de CRC.
Assim como o I²C, esta tecnologia trabalha com a técnica
mestre-escravo, a rede
possui um (e somente um) mestre, responsável por comandar todos
os aspectos da rede,
como prover alimentação para os sensores, iniciar as
comunicações, receber respostas e
fazer o interfaceamento entre os dispositivos e o
Microcontrolador.
A interface utiliza níveis de tensão de 3.3V à 5V. Sua
alimentação pode ser parasita
(utilizando o próprio canal de comunicação) ou externa. Na forma
parasita é importante
que enquanto não haja comunicações a rede permaneça em nível de
tensão alto, para
garantir que os dispositivos continuem funcionando. A
comunicação é feita utilizando
pulsos em lógica reversa e a temporização dos pulsos indica o
evento que se deseja
executar.
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14
A ligação entre os dispositivos normalmente é feita
utilizando-se cabos de par
trançado sem blindagem. A maioria dos dispositivos já vem
equipados com conectores
RJ-45 ou RJ-11/RJ-14 (DEMUTH; EISENRICH, 2002).
A tecnologia 1-Wire está disponível na estação como uma entrada
de sensores
alternativa à tecnologia I²C, permitindo assim que novos
sensores sejam acoplados à
estação de forma modular.
2.3 RS-232
O protocolo RS-232 é um protocolo de comunicação serial
assíncrona, que transmite
cadeias de dados bit a bit de forma sequencial. A cadeia
transmitida é então remontada
no destino. O protocolo RS-232 nos Microcontroladores trabalha
usualmente com nível
de tensão TTL (Transistor to Transistor Logic), ou seja, 5V e
pode atuar com
velocidade máxima de 20 Kbps (AXELSON, 2000).
Este protocolo é utilizado na estação para realizar a
comunicação entre o modem
GPRS e o Microcontrolador.
2.4 SPI
O protocolo SPI é um protocolo de comunicação serial síncrona
que utiliza a
topologia mestre-escravo em modo duplex completo, permitindo
assim que as
informações trafeguem em ambas as direções simultaneamente.
Também é conhecido
como “interface quatro fios”, pois utiliza quatro sinais para
habilitar a transferência de
dados. A principal diferença entre este protocolo e o protocolo
RS-232 é o seu
sincronismo gerado por pulsos de clock do mestre e utilizado
comumente entre todos os
escravos, que sincronizam as transferências de dados baseados
nestes pulsos
(CHATTOPADHYAY, 2010).
O protocolo SPI é utilizado no sensor de temperatura e umidade
para realizar sua
comunicação com o Microcontrolador.
2.5 GPRS
O GPRS é uma tecnologia capaz de aumentar as taxas de
transferência de dados
nas redes de celular já existentes. Nesta tecnologia os dados
são transmitidos por
comutação de pacotes, oferecendo uma taxa de transferência muito
superior as
tecnologias anteriores, chegando a 170kbps (ADH TECH, 2011).
Dentro da tecnologia GPRS atua o EDGE ou EGPRS (Enhanced GPRS),
cujo
objetivo é melhorar e dar confiabilidade às transmissões de
dados. O EDGE pode ser
utilizado em qualquer tipo de troca de pacotes, como numa
conexão em rede interna ou
em uma conexão com a Internet. Sua velocidade chega à 560kbps e
sua implementação
em redes de telefonia celular já existentes é de baixo custo, já
que a atualização ocorre
apenas via software.
A estação meteorológica utiliza esta tecnologia através de um
modem GPRS
permitindo o uso da Internet e consequentemente o envio de dados
da estação para o
servidor remoto.
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15
2.6 Cliente/servidor
A arquitetura cliente-servidor é um modelo utilizado em redes de
computadores
distribuídas. Neste modelo a comunicação se dá através de uma
mensagem contendo
uma solicitação enviada ao servidor através do cliente, pedindo
a este que alguma tarefa
seja executada. O servidor por sua vez executa a tarefa e emite
uma resposta com o
resultado (TANENBAUM, 1997).
Para aplicações em rede as conexões são feitas via socket, cada
conexão recebe
um IP e porta específica para executar a comunicação entre o
cliente e o servidor. Neste
projeto a comunicação entre o modem GPRS e o servidor remoto é
feita utilizando esta
técnica.
A comunicação é feita através do protocolo UDP, por ser mais
leve e rápido quando
comparado a outros protocolos. Apesar de a sua velocidade ser
maior uma das
desvantagens do UDP é o fato deste não fornecer garantia na
entrega dos pacotes
(TANENBAUM, 1997).
2.7 Meteograma
O meteograma é um conjunto de gráficos disponibilizado por sites
como o CPTEC
que contem uma previsão do tempo com informações para os
próximos 5 a 7 dias,
dependendo de sua versão.
A Figura 2.1 mostra um meteograma no modelo Eta/CPTEC 20 que
representa as
condições meteorológicas esperadas do dia 18/04/2011 0h GMT até
o dia 25/04/2011
0h GMT (Greenwich Meridian Time) em um quadrado de 20Km de lado
com seu
centro no local da previsão, em Curitiba-PR.
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16
Figura 2.1: Meteograma Eta/CPTEC 20 para Curitiba.
No primeiro gráfico da figura está indicada a previsão de
umidade relativa do ar
para os próximos 7 dias. O segundo gráfico representa a
nebulosidade prevista dividida
em nuvens baixas, médias e altas, respectivamente. Em seguida
está representado o
prognóstico de precipitação em mm/h para os próximos dias. A
quarta representação
contém a previsão da variação de temperatura a 2m do chão. Logo
abaixo está a
predição da pressão ao nível do mar em Hectopascal. Por fim está
representada a
direção e intensidade do vento a 10m de altura do solo, onde as
setas indicam a direção
e a linha indica a sua intensidade.
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17
Como este meteograma não apresenta as condições reais do local e
só é gerado a
cada 24 horas surge a dificuldade não só de decidir pela
decolagem, mas de decidir
também pelo deslocamento ao local propício para o voo. Assim a
estação meteorológica
no local do voo se torna indispensável para fornecer informações
in loco com exatidão.
2.8 Trabalhos relacionados
Rinhel apresenta em sua versão de estação meteorológica uma
solução voltada para
utilização na agricultura e prevenção de desastres naturais com
transmissão de dados
por radiofrequência, dando ênfase na importância da obtenção dos
dados provenientes
de sensores no dias atuais (RINHEL, 2008).
O envio de dados através de radiofrequência elimina a
necessidade da conexão com
a Internet, permitindo com que a estação seja instalada em
locais onde não há cobertura
GPRS, porém a distância da comunicação é reduzida e depende de
antenas para a
retransmissão.
Ambos os trabalhos estão voltados para a captação de dados
meteorológicos com o
intuito de apresentar informações precisas e locais. A
utilização da tecnologia de
transmissão por radiofrequência é ideal para a situação proposta
por Rinhel, mas não é
interessante para a solução apresentada neste projeto.
Já Elliot apresenta em seu trabalho as formas de escolha de
variáveis em uma rede
com uma grande quantidade de estações meteorológicas voltadas
para a agricultura. A
rede utilizada como base para o projeto pertence ao estado de
Oklahoma nos EUA, e
demonstra como devem ser feitas as escolhas para obtenção de uma
medição mais
precisa em redes com um grande número de estações (ELLIOT et
al., 1994).
A obtenção de dados de múltiplas estações garante a veracidade
das informações
capturadas, porém são necessários investimentos altos para
manter uma rede com
diversas estações.
O trabalho de Elliot mostra como um servidor se comporta quando
recebe muitos
dados e como o processamento destes dados é feito. Para garantir
que as informações
sejam processadas mesmo com um número elevado de estações no
projeto desenvolvido
testes foram feitos e estão apresentados no Capítulo 4.
Trindade apresenta em seu artigo um sistema de otimização da
extração de energia
produzida por painéis solares fotovoltaicos capaz de detectar a
direção de maior
intensidade da luz solar e mover os painéis para esta direção
(TRINDADE et al., 2005).
A maximização do aproveitamento da energia solar aumenta a vida
útil da bateria e
proporciona maior autonomia a estação em casos extremos. O
posicionamento do painel
solar da estação meteorológica é fixo, portanto o projeto de
Trindade apresenta um
complemento de trabalho para a estação.
Há muitos trabalhos e empresas com patentes similares na
transmissão de dados de
sensores em estações meteorológicas, porém não há nenhum
trabalho voltado
exclusivamente para a prática de esportes aéreos, cujas
necessidades são diferenciadas.
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18
3. ESPECIFICAÇÃO
Visando facilitar a obtenção de dados meteorológicos em locais
de difícil acesso ou
que não possuam energia elétrica, a estação meteorológica aqui
apresentada possui um
sistema completo para funcionar ininterruptamente em ambientes
inóspitos com o
mínimo de manutenção necessária. Nesta seção é apresentada uma
visão geral do
projeto com suas principais características, seus módulos,
diagramas, fluxogramas,
esquemáticos e casos de uso.
3.1 Visão Geral
A estação meteorológica para regiões remotas é um sistema
embarcado clássico que
possui um Microcontrolador como unidade de processamento
central, sensores
responsáveis por traduzir as condições climáticas em sinais
elétricos, uma bateria
carregada por energia solar para a alimentação e um modem
responsável pela
transmissão dos dados.
O Microcontrolador é responsável pelo controle e automação da
estação. Quando
acionado este efetua a leitura dos sensores e envia os dados
coletados para módulo
transmissor. O módulo por sua vez efetua uma conexão via GPRS
com o servidor Web
e envia as informações coletadas. As informações assim que
recebidas são tratadas no
servidor e imediatamente disponibilizadas em um portal,
permitindo que o usuário
acesse as condições meteorológicas do local em tempo real a
partir de um computador
pessoal, notebook ou aparelho celular.
Para garantir o funcionamento ininterrupto do sistema mesmo em
ambientes onde
não há energia elétrica uma bateria externa com células solares
alimenta os circuitos. O
carregador alimenta tanto o sistema com seus sensores quanto o
modem GPRS. A
Figura 3.1 apresenta uma visão geral do projeto de forma
diagramada dividida em duas
partes. Na parte superior estão os componentes embarcados da
estação especificamente
e na parte inferior o servidor Web com banco de dados e as
formas de acesso que
podem ser feitas à ele.
O projeto foi desenvolvido utilizando sensores com a tecnologia
I²C e 1-Wire. A
primeira foi desenvolvida pela Philips buscando otimizar custo,
velocidade e
usabilidade na comunicação entre dispositivos de um mesmo
circuito, facilitando o
desenvolvimento de sistemas modulares utilizando apenas dois
fios para se comunicar
com vários dispositivos. A tecnologia 1-Wire foi desenvolvida
pela Dallas
Semiconductor Corp e é similar à tecnologia I²C, porém opera em
frequências mais
baixas e atinge uma maior distância de transmissão. Os sensores
estão conectados a um
Microcontrolador PIC que faz o interfaceamento de todas as
informações captadas dos
sensores com um módulo GSM/GPRS capaz de enviar dados na forma
de texto para
servidor Web.
O servidor processa e salva em um banco de dados as informações
recebidas da
estação meteorológica e as disponibiliza para um usuário com
acesso à Internet.
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19
Figura 3.1: Diagrama de funcionamento da estação
meteorológica.
3.2 Características do Projeto
a) Microcontrolador PIC com suporte a comunicação I²C, 1-Wire e
RS232; - Responsável pelo processamento central do sistema, captura
de dados dos
sensores e acionamento da transmissão.
b) Anemômetro de 3 pás com medição de 5Km/h à 200Km/h; -
Utilizado para a aquisição de dados relacionados à velocidade do
vento.
c) Cata-vento acoplado ao anemômetro; - Utilizado para a
aquisição de dados relacionados à direção do vento.
-
20
d) Célula solar com pelo menos 5W de potência; - Permite que o
sistema funcione indefinidamente dependendo apenas da energia
solar para carregamento da bateria.
e) Sensor de umidade e temperatura com interface SPI; -
Responsável pela captura dos dados de temperatura e umidade.
f) Modem GPRS com cartão SIM compatível; - Utilizado na
transmissão dos dados entre a estação e o servidor Web.
g) Sensor de pressão com interface I²C; - Utilizado na aquisição
de dados relacionados à pressão atmosférica.
h) Bateria externa de 12V com pelo menos 5Ah; - Mantém a estação
alimentada e provê a energia necessária para todos os
componentes da estação.
i) Controlador de carga; - Evita com que a bateria sobrecarregue
e dissipa a energia sobressaliente da
célula solar.
j) Caixa capaz de resistir a intempéries. - Permite que a
estação permaneça em condições adversas com pouca ou
nenhuma manutenção.
3.3 Requisitos
Como o projeto foi desenvolvido para um ambiente hostil, o único
requisito físico é
que sua instalação seja feita em um local com cobertura GPRS e
de intensidade solar
moderada. Para o envio de informações é necessário que o número
de celular utilizado
no módulo transmissor esteja habilitado e com créditos.
3.4 Arquitetura de Hardware
A Figura 3.2 apresenta a estrutura básica de hardware do
sistema, que é controlado
por um Microcontrolador PIC capaz de receber as informações
fornecidas pelos
sensores que estão divididos em módulos, bem como preparar e
formatar as mensagens
a serem enviadas através do modem GPRS. A alimentação é feita
por uma bateria
externa recarregável ligada diretamente a um painel solar.
Figura 3.2: Estrutura de hardware do sistema.
-
21
O firmware desenvolvido para controlar a estação é responsável
por obter os dados
provenientes dos sensores e enviá-los para o modem GPRS onde
estes são transmitidos
para o servidor Web, responsável pela interpretação e
disponibilização dos dados em
formatação compreensível por pessoas leigas.
Para economizar energia e garantir a maior autonomia possível é
importante que o
sistema seja ativado apenas temporariamente e fique em modo
stand-by enquanto não
estiver processando informações. Este processo é realizado com a
utilização de um
relógio de tempo real. O Microcontrolador aguarda um pulso do
relógio para iniciar a
aquisição e processamento dos dados.
A Figura 3.3 representa o fluxograma básico do firmware
utilizado no sistema.
Figura 3.3: Estrutura básica do firmware do sistema.
O Microcontrolador escolhido para a estação é um PIC 18F4550,
por ser
amplamente utilizado no mercado e suportar linguagem de
programação C. O PIC
suporta os protocolos RS-232, I²C e 1-Wire, necessários para a
elaboração do projeto
(MICROCHIP, 2004).
A Figura 3.4 mostra os pinos utilizados pelo Microcontrolador e
onde eles atuam. O
diagrama esquemático do Microcontrolador está disponível no
Anexo A.
Os LEDs vermelho e verde indicam falha e sucesso
respectivamente. Se houver erro
ao conectar no servidor o LED vermelho pisca uma vez. Se o
problema for na rede de
celular este pisca duas vezes. O LED verde indica sucesso em
ambos os casos. Os pinos
de VCC são utilizados para a alimentação do Microcontrolador, e
os pinos 13 e 14
indicam a ligação com o oscilador de 20MHz.
-
22
Figura 3.4: Pinos utilizados no Microcontrolador 18F4550.
O modem GPRS se comunica com o Microcontrolador utilizando o
protocolo de
comunicação serial RS-232 com suporte a comandos AT. Os comandos
AT são
amplamente utilizados em comunicação com modems via
HyperTerminal e conexão
serial.
O módulo escolhido é o ADH8066, capaz de enviar mensagens SMS e
se conectar
com a Internet. Sua velocidade de transmissão serial máxima é de
115.200 bps (ADH
TECH, 2011).
Na estação o modem é responsável por enviar os pacotes de dados
para o servidor
remoto e receber a confirmação da entrega destes pacotes. A
Figura 3.5 mostra frente e
verso do modem.
Figura 3.5: Modem GPRS modelo ADH8066.
O projeto contém ainda um relógio de tempo real modelo DS1307
produzido pela
Dallas Semiconductor, circuito que possui um relógio preciso
responsável pelo
acionamento do sistema de captação dos sensores e envio das
informações, portanto,
toda vez que o relógio é acionado o Microcontrolador aciona a
captura de dados, os
sensores e o envio das informações para o servidor remoto. Este
relógio também
funciona pelo protocolo I²C e possui uma bateria que permite sua
utilização por até 17
anos ininterruptamente (DALLAS, 2009). A Figura 3.6 mostra
frente e verso deste
dispositivo.
-
23
Figura 3.6: Frente e verso do relógio de tempo real,
respectivamente.
Os sensores estão divididos em módulos, permitindo assim maior
organização do
sistema e diminuindo a possibilidade de falhas e interferências
que poderiam ocorrer em
um circuito onde todos os componentes estão integrados em uma
única placa. Este tipo
de divisão também facilita o isolamento do sistema que não fica
em contato direto com
as intempéries, evitando com que o núcleo principal da estação
se oxide ou deteriore. A
tensão de alimentação dos módulos é de 5 V. Os protocolos de
comunicação serial
utilizados são o I²C e o SPI. A seguir estão apresentados os
sensores responsáveis por
captar as condições atmosféricas e traduzi-las para sinais
elétricos dimensionáveis que
podem ser compreendidos pelo Microcontrolador.
A Figura 3.7 mostra a direção do fluxo de dados dos sensores
para o
Microcontrolador e o módulo GPRS. Os dados são captados pelos
sensores, processados
pelo Microcontrolador e enviados pelo modem GPRS.
Figura 3.7: Fluxo de dados dos sensores.
3.5 Anemômetro
O anemômetro WIND-ADS-A utilizado é fabricado pela Hobby Boards,
contém um
sensor de velocidade que utiliza um rotor de três pás para medir
velocidades de 5Km/h à
200Km/h e um cata-ventos para detectar a direção do vento (HOBBY
BOARDS, 2011).
A Figura 3.8 mostra uma foto do anemômetro pronto para uso.
-
24
Figura 3.8: Anemômetro.
A obtenção da velocidade do vento é feita através de dois
interruptores de lâmina.
Quando o vento sopra nas pás o rotor gira e aciona os
interruptores. Estes têm seus
sinais convertidos no conversor analógico/digital de 10 bits do
próprio
Microcontrolador.
A direção do vento é obtida pelo cata-vento através de 8
interruptores de lâmina
agrupados fisicamente também conectados ao mesmo conversor
analógico/digital.
A direção é obtida através da conversão da tensão obtida na
saída do conversor A/D
usando-se a Tabela 3.1 de conversão:
Tabela 3.1: Conversão entre valores do A/D e direção do
vento.
Valor Direção
0 e 10 Sul
50 e 150 Sudeste
150 e 250 Leste
350 e 450 Nordeste
500 e 1023 Norte
90 e 120 Noroeste
27 e 35 Oeste
11 e 20 Sudoeste
3.6 Barômetro
O sensor de pressão utilizado no projeto é um BMP085 produzido
pela Bosch. Este
sensor de alta precisão e baixa corrente é construído baseado em
um sensor piezo-
resistivo que permite a medição de pressões barométricas de 300
hPa até 1100 hPa com
uma precisão de 0.03 hPa. A conexão é feita diretamente ao
Microcontrolador através
do barramento I²C e sua alimentação suporta tensões de 1.8V até
3.6V. Como a pressão
está diretamente relacionada à temperatura este sensor também
possui seu próprio
termômetro, utilizado na compensação do cálculo da pressão
(BOSCH, 2009).
A aquisição das informações é feita de forma sequencial,
obtendo-se primeiro a
temperatura e em seguida a pressão atmosférica. A compensação de
ambas é feita no
servidor Web, já que requer cálculos específicos. A Figura 3.9
mostra uma foto do
sensor. Seu diagrama esquemático está apresentado no Anexo
B.
-
25
Figura 3.9: Imagem do sensor de pressão.
3.7 Temperatura/Umidade
Os sensores de temperatura e umidade estão combinados em um
único módulo e são
compostos por um SHT15 da empresa Sensirion. A leitura da
temperatura é feita através
do envio de um comando de 8 bits utilizando o protocolo SPI. O
sensor efetua a
conversão da temperatura para um sinal digital e responde ao
Microcontrolador com 16
bits de dados e 8 bits de CRC (opcional). O Microcontrolador
envia um sinal de ACK
(Confirmação) para cada bit recebido (SENSIRION, 2009).
O mesmo tipo de procedimento é feito para a leitura da umidade,
alterando apenas o
comando enviado. A Figura 3.10 mostra uma imagem computadorizada
do sensor. Seu
diagrama esquemático está disponível no Anexo C.
Figura 3.10: Imagem computadorizada do sensor.
3.8 Nebulosidade (câmera fotográfica)
Como a nebulosidade não é normalmente mensurável de forma a ser
apresentada em
dados de fácil compreensão, para se obter uma ideia melhor de
como está a situação no
local a utilização de uma câmera no lugar de uma célula
fotovoltaica tornou-se viável.
A câmera utilizada é fornecida pela LinkSprite modelo LS-Y201 e
suporta fotos
com resolução de até 640x480 no formato JPEG com compressão. Sua
alimentação é de
5V e ela utiliza interface TTL (LINKSPRITE, 2011). A Figura 3.11
apresenta a câmera
utilizada em detalhe.
-
26
Figura 3.11: Câmera VGA JPEG.
3.9 Servidor remoto
O servidor é responsável por receber e interpretar os pacotes
enviados pelas estações
remotas, além de manter um Website no ar com todas as
informações recebidas dos
sensores devidamente analisadas e apresentadas ao usuário
leigo.
Para atingir tais requisitos foram desenvolvidos dois
servidores. Um para se
comunicar com as estações remotas (Servidor UDP) e outro para
manter o Website
(Servidor Web) disponível a qualquer usuário conectado à
Internet. Ambos servidores
compartilham o mesmo banco de dados.
3.10 Software
Para o completo funcionamento do projeto foi necessário
desenvolver dois projetos
de software, um embarcado na estação meteorológica e o outro
responsável pelo
servidor remoto. A estação envia as informações meteorológicas
coletadas pelos
sensores para o servidor Web, onde estas são processadas e
armazenadas no banco de
dados, permitindo também a visualização das informações
recebidas e configuração de
parâmetros de funcionamento das estações.
A Figura 3.12 apresenta o diagrama de sequência do funcionamento
do sistema,
abordando a interação entre estação meteorológica e o servidor
UDP. A estação
primeiramente verifica se o módulo GPRS está ativo e se existe
conectividade com a
operadora de telefonia celular. Quando o módulo GPRS estiver
ativo este tenta
conectar-se ao servidor remoto fornecendo dados para
autenticação. O servidor verifica
se os dados fornecidos estão corretos e então envia um pacote de
configuração.
Após a autenticação os pacotes referentes ao funcionamento da
estação são
processados iniciando a rotina de transmissão de informações,
que depende diretamente
do pacote de configurações recebido e processado anteriormente.
Sempre que qualquer
tipo de pacote é enviado ao servidor, há uma resposta informando
se houve sucesso ou
erro no processamento.
-
27
Figura 3.12: Diagrama de Sequência do funcionamento do
projeto.
O software do Microcontrolador foi desenvolvido na linguagem C
utilizando o
ambiente de desenvolvimento integrado CCS PCW, pela facilidade
de programação
direta no PIC (CCS INC, 2011). A Figura 3.13 apresenta o
fluxograma da sequência de
funcionamento do software implementado no Microcontrolador.
Ao ser iniciado, o Microcontrolador entra em um laço de
repetição e verifica se o
módulo GPRS está ativo (conectado a rede de celular) ou não.
Caso não haja conexão o
Microcontrolador aguarda 120 segundos e depois verifica o status
da conexão
novamente. Quando o módulo GPRS está ativo é possível se
conectar ao servidor Web
enviando o pacote de autenticação. Se houver falha na conexão o
módulo envia uma
-
28
mensagem uma mensagem de texto para um número de celular
previamente
configurado.
Ao se conectar ao servidor a estação recebe uma mensagem
contendo as seguintes
configurações: intervalo de transmissão de informações, tamanho
e qualidade da foto e
número de celular para reportar possíveis erros. Depois de
configurado este entra em
um laço de repetição para o envio das informações coletadas.
Caso o intervalo de
transmissão seja maior que 10 minutos o sistema é
reiniciado.
Figura 3.13: Fluxograma do software do Microcontrolador.
A arquitetura de software do servidor envolve a utilização de
várias tecnologias.
Para a comunicação entre as estações e o servidor é utilizado um
servidor UDP que se
conecta ao banco de dados. As informações salvas no banco de
dados podem ser
acessadas por usuários a partir do servidor Web. A Figura 3.14
apresenta esta
arquitetura com todas as tecnologias utilizadas.
-
29
Figura 3.14: Arquitetura do servidor Web.
O servidor UDP (User Datagram Protocol) foi desenvolvido em
linguagem Java e é
responsável por receber e processar os dados provenientes das
estações. As informações
processadas no servidor UDP são salvas no banco de dados MySQL
(MYSQL, 2011).
A camada de apresentação e a camada de regras de negócio estão
separadas,
permitindo maior flexibilidade na utilização de regras
programadas em PHP. Já a
camada de apresentação consiste em dois sistemas, um visa a
utilização em
computadores pessoais e foi desenvolvido em Adobe Flash Builder
4.5 (ADOBE, 2011)
e o outro é voltado para dispositivos móveis, desenvolvido em
jQueryMobile
(JQUERYMOBILE, 2011). A versão para dispositivos móveis é mais
limitada,
permitindo apenas a visualização de informações. O servidor HTTP
utilizado foi o
Apache Server (APACHE, 2011).
O administrador tem acesso ao servidor Web efetuando login em
uma página
específica, onde então pode cadastrar usuários, cadastrar novas
estações meteorológicas
e visualizar os dados provenientes de estações já em
funcionamento. Usuários normais
têm permissões limitadas e só podem visualizar os dados e
alterar suas informações
pessoais.
A Figura 3.15 mostra o Modelo Entidade Relacionamento (MER),
modelo abstrato
que tem por finalidade descrever os dados utilizados de maneira
conceitual (BERTINI
et al, 1992). A entidade Estação contém as informações
referentes à estação
meteorológica e está liga a três entidades:
- Estação Configuração: contêm as informações de configuração da
estação;
-
30
- Status Estação: informa qual é o status atual;
- Entidade Informação: informa qual estação é responsável por
receber as
informações enviadas.
Cada informação recebida é de um determinado tipo e cada tipo
possui uma unidade
de medida, listadas na entidade Unidade Medida. Se as
informações forem
inconsistentes (estejam fora de um padrão pré-determinado), são
armazenadas na
entidade Inconsistente. A entidade Usuário possui a entidade
Permissão, que define
quais são as possíveis ações a serem executadas por um
determinado usuário.
Figura 3.15: Modelo Entidade Relacionamento do servidor.
A Figura 3.16 mostra o Diagrama de Entidades e Relacionamentos,
modelo que
descreve os dados de um sistema com alto nível de abstração
(BERTINI et al, 1992).
Este diagrama mostra todas as tabelas e tipos de dados
utilizados no banco de dados do
servidor.
-
31
Figura 3.16: Diagrama de Entidades e Relacionamentos do
servidor.
A programação do servidor do UDP é orientada a objetos. Este é
inicializado pela
classe ServidorEstacao. Ao ser iniciada a classe ajusta as
configurações iniciais e
aguarda o recebimento de pacotes. A cada pacote que recebido uma
instância da classe
ProcessaPacote é criada e é executada em segundo plano em um
processo concorrente,
herdando todos atributos e métodos da classe Thread da
biblioteca padrão do Java. A
classe Polar gerencia as conexões com o banco de dados (classe
Banco) e o
processamento de pacotes de imagens (classe JpegFile). Suas
classes estão
representadas no diagrama de classes presente na Figura
3.17.
-
32
Figura 3.17: Diagrama de classes do servidor Web.
-
33
3.11 Protocolo de comunicação
A comunicação utilizada entre a estação meteorológica e o
servidor Web é do tipo
cliente/servidor. A Estação meteorológica se conecta ao servidor
remoto via socket com
o protocolo de comunicação UDP.
O cliente tem um determinado código e senha que permite apenas a
estação a enviar
informações para o servidor, além de identificá-la.
Para separar as informações das estações um padrão de
recebimento de dados foi
criado. Dentro deste padrão existem quatro tipos de pacotes:
- Autenticação: a estação envia um pacote com o nome de usuário
e senha e recebe
um pacote contendo configurações. Caso os dados fornecidos
estejam corretos ou
recebe um pacote de erro de autenticação.
- Pacote de configurações: este pacote é enviado ao cliente
quando há sucesso na
autenticação. Nele há informações referentes às configurações da
estação como: câmera
ativada/desativada, intervalo de transmissão de pacotes, tamanho
e compressão de
imagem.
- Informações dos sensores: o cliente envia um pacote com as
informações dos
sensores e recebe um pacote informando se as informações foram
salvas corretamente.
- Foto: para o cliente enviar uma foto para o servidor é
necessário enviar vários
pacotes, visto que o tamanho da imagem na menor resolução
utilizada é de 3 kilobytes e
na resolução máxima chega a 49 kilobytes.
O modelo de pacote é apresentado na Figura 3.18.
Figura 3.18: Padrão de pacote de dados.
O primeiro campo contém um identificador, seguido de informações
de login e
senha. O quarto pacote contém data e hora da informação, seguido
de flags indicando os
sensores ativos, sensores 1-Wire e por fim informações
provenientes do anemômetro,
barômetro, sensores de temperatura e umidade.
Sempre que a estação envia um pacote ao servidor UDP, recebe um
pacote
informando se houve sucesso ou erro. Este padrão só é alterado
no caso do recebimento
de um pacote de autenticação, situação em que o servidor retorna
um pacote de
configuração caso haja sucesso na autenticação.
3.12 Custos
O custo geral do projeto mostra que há viabilidade comercial
para a estação
meteorológica, porém muitos dos componentes utilizados são
vendidos apenas no
exterior, acarretando em altas taxas de frete e importação.
Estas taxas podem ser
-
34
reduzidas caso o projeto venha a se tornar comercial e tenha sua
produção em escalas
maiores. A Tabela 3.2 apresenta uma visão geral dos custos do
projeto com valores em
reais aproximados, sem contar a mão de obra e propriedade
intelectual.
Tabela 3.2: Custos aproximados do projeto.
Tabela de custos brutos
Sensores R$ 350 (US$ 210)
Bateria R$ 45
Painel solar R$ 120
Caixa de acrílico R$ 150
Módulo GPRS R$ 120 (US$ 70)
PIC R$ 20
Cabos, conectores e placas R$ 200
Câmera R$ 85 (US$ 50)
RTC R$ 25 (US$ 15)
Fretes e impostos R$ 450
Após a conclusão do primeiro protótipo ficou claro que os custos
podem ser
reduzidos significativamente com a importação em larga escala,
especialmente nos
valores de frete.
3.13 Interface visual
A tela principal utilizada pelo programa mostra os últimos dados
coletados. A partir
desta tela é possível gerar relatórios e gráficos com as últimas
informações, permitindo
uma análise visual dos dados. Há também uma versão para
dispositivos móveis. A
Figura 3.19 mostra uma captura da tela principal e a Figura 3.20
mostra a versão para
dispositivos móveis.
Figura 3.19: Captura da tela principal.
-
35
Figura 3.20: Tela para dispositivos móveis.
-
36
4. TESTES E VALIDAÇÃO
Para garantir que todos os dados estejam de acordo com os
resultados esperados,
estes foram calibrados primeiramente utilizando instrumentos
qualificados disponíveis
na universidade. Posteriormente os dados foram comparados com
serviços de
meteorologia especializados para garantir que as medições fossem
precisas.
No servidor foram feitos testes de carga para garantir que este
é capaz de receber
todos os dados necessários e na estação foram feitos testes para
medir a autonomia da
bateria e consumo de energia.
Os testes em campo foram executados em região rural da cidade de
Rio Branco do
Sul - PR.
4.1 Tempo de processamento
Este teste tem por objetivo comparar o desempenho do servidor à
medida que o
número de pacotes recebidos simultaneamente aumenta, simulando
várias estações
enviando pacotes ao mesmo tempo.
Para simular o desempenho do servidor UDP foi desenvolvido um
cliente e um
servidor especial, ambos em linguagem Java. No servidor foi
medido o tempo para
salvar as informações de um pacote já interpretado com
informações relativas aos
sensores no banco de dados. No cliente é medido o tempo total
entre enviar vários
pacotes de informações dos sensores e receber uma resposta.
Foram realizadas duas sequências de testes, uma utilizando
servidor remoto
conectado a Internet e outra utilizando um servidor em rede
local (Ethernet).
Características do computador utilizado como Servidor
Remoto:
- Servidor remoto dedicado disponibilizado pela DreamHost
(DREAMHOST,
2011);
- Processador AMD Opteron 4122 2.1 GHz / 512kb de memória cachê
(AMD,
2011);
- 300MB de memória RAM;
- Sistema Operacional Debian Linux (versão do kernel 2.6)
(DEBIAN, 2011);
- Latência entre o cliente e o servidor: 190 milissegundos /
conexão de 10Mbps.
Características do computador utilizado como Cliente do Servidor
Remoto:
- Processador Intel Core 2 Duo T660 2.2 GHz;
- 4GB de memória RAM;
- Sistema Operacional Windows 7 Ultimate 64bits;
- Velocidade da conexão com a Internet: 10 Mbps (download) / 1
Mbps (upload).
Características do computador utilizado como Servidor em rede
Ethernet:
- Processador Intel Core 2 Duo T660 2.2 GHz;
- 4GB de memória RAM;
-
37
- Sistema Operacional Windows 7 Ultimate 64bits;
- Latência entre o cliente e o servidor: menor que 1
milissegundo.
Características do computador utilizado como Cliente em rede
Ethernet:
- Processador Intel Core 2 Duo T660 2.2 GHz;
- 4GB de memória RAM;
- Sistema Operacional Windows 7 Ultimate 64bits;
- Velocidade de conexão: 100 Mbps (Ethernet).
A Figura 4.1 apresenta o tempo médio para salvar os pacotes no
banco de dados
MySQL. A Figura 4.2 apresenta o tempo médio para processar os
pacotes. Nos dois
gráficos observa-se que quanto maior o número de pacotes
enviados simultaneamente,
maior o tempo de processamento e maior custo computacional do
computador onde está
hospedado o servidor.
O servidor pode processar simultaneamente até 40 pacotes, ao
exceder este limite os
pacotes são armazenados em uma fila de processamento do tipo
FIFO (First In First
Out) e aguardam até serem processados, diminuindo o custo
computacional, entretanto
o tempo para processamento de pacotes que estão na fila pode ser
maior.
Figura 4.1: Tempo médio para salvar pacotes no banco de
dados.
-
38
Figura 4.2: Tempo médio para processar pacotes.
O tempo de envio das imagens através do módulo GPRS está
diretamente ligado à
intensidade do sinal no local de implantação da estação. Em
média o envio de uma
imagem na maior qualidade é de 2,5 minutos, para o envio dos
dados dos sensores é de
5 segundos e o tempo do processamento dos sensores e captura da
imagem pelo
microcontrolador é de 20 segundos, totalizando um ciclo de
aproximadamente 3
minutos.
4.2 Consumo de energia
Para validar a autonomia da bateria da estação foram realizados
testes em campo a
céu aberto, medindo a tensão e corrente gerada pelo painel solar
e a tensão da bateria
com a estação em funcionamento. No modo econômico o módulo GPRS
e a câmera
VGA não estão ativos. Neste caso, o consumo final da estação é
de 80 mA. Quando a
estação está funcionando completamente, enviando pacotes através
do módulo GPRS e
capturando imagens e informações dos sensores o consumo é de 200
mA.
O gráfico na Figura 4.3 relaciona os valores medidos durante o
período entre às
11h10 e 16h15 em um dia com sol entre nuvens. Observa-se que no
início do teste a
bateria está parcialmente descarregada, e em um período de 1
hora com exposição solar
moderada a estação já tem carga suficiente para transmitir dados
para o servidor. A
potência do painel utilizado para tal experimento é de 15 W e o
modelo da bateria
utilizada é UP1270E 12V 7Ah (UNIPOWER, 2011). É importante
ressaltar que o painel
solar ficou na mesma posição durante todo o teste.
-
39
Figura 4.3: Gráfico de carregamento da bateria.
4.3 Testes em campo e validação dos dados
Para a calibração e validação dos valores coletados a partir dos
sensores foram
utilizados os seguintes instrumentos:
Umidade e temperatura: Termo-higrômetro MT-240 (MINIPA,
2011);
Anemômetro: Anemômetro Digital Portátil ITAN-700 (INSTRUTEMP,
2011);
Pressão: Variômetro Flytec 6005 (FLYTEC, 2011).
Depois da calibração, todos os sensores forneceram valores
corretos, com margem
de erro de no máximo 1%, o que é aceitável para a prática do voo
com segurança
(HOCHSTEINER, 2002).
Em campo a estação funcionou ininterruptamente durante cinco
dias, transmitindo
pacotes com informações dos sensores e imagens em um intervalo
de 30 minutos entre
uma transmissão e outra.
O tempo total para a estação iniciar, isto é, ativar o módulo
GPRS, conectar-se à
Internet e efetuar a autenticação é de 1 minuto e 30 segundos.
Para coletar as
informações dos sensores e a hora do RTC são necessários 20
segundos. O tempo total
para montar os pacotes de informações do sensores é de 30
segundos. Já para transmitir
uma imagem o tempo depende do tamanho e da qualidade
selecionada. Uma imagem
com tamanho padrão VGA com 52 KB demora 3 minutos para ser
transmitida.
-
40
5. CONCLUSÃO
O desenvolvimento de uma estação meteorológica para utilização
em regiões
remotas facilita a prática de esportes de voo livre como o
paragliding e hang gliding.
Este trabalho apresenta uma estação embarcada que possui
sensores de pressão,
temperatura, umidade, velocidade e direção do vento, além de uma
câmera que permite
a obtenção de imagens em tempo real do local onde se encontra o
equipamento. A
comunicação é feita através de um módulo GPRS com um servidor
Web e as
informações são apresentadas em um Website. Para que o projeto
possa funcionar sem
necessidade de conexão com a rede elétrica há também uma bateria
com células solares.
Os testes de carregamento da estação mostram que bastam algumas
horas de sol para
manter a bateria carregada e fazer com que o sistema funcione
indefinidamente.
Pela modularidade utilizada durante o desenvolvimento é possível
que cada usuário
final escolha quais sensores deseja ter em sua estação,
reduzindo o custo final das
estações e adequando-as para o fim desejado.
Este projeto se torna uma alternativa viável economicamente para
regiões que
necessitam de uma estação meteorológica tanto para a avaliação
de condições de voo
como para o monitoramento de plantações e de tempo em pequenas
cidades. Pelos
testes fica provado que o servidor utilizado é capaz de suportar
mais de uma estação em
funcionamento sem grandes mudanças em seu desempenho, fazendo
assim com que o
custo de utilização possa ser reduzido quando
comercializado.
A expansão em trabalhos futuros inclui a implementação de uma
arquitetura de
envio de dados via método POST/GET, a implementação de uma
arquitetura com um
Web Service como o “Tomcat”, a redução dos componentes da placa
de circuito
impresso, a utilização de técnicas de inteligência artificial
com redes neurais e lógica
fuzzy para detectar possíveis erros do sistema informando se as
condições atuais estão
propícias para o voo, a instalação de um sistema capaz de
calcular o melhor ângulo para
a captação de energia solar e a instalação de outros tipos de
sensores, como medidores
de gases.
-
41
6. REFERÊNCIAS
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Acesso em: Outubro de 2011.
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de 2011.
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-
43
ANEXO A - Diagrama do Microcontrolador 18F4550
-
44
ANEXO B - Diagrama esquemático do sensor BMP085
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45
ANEXO C - Diagrama esquemático do sensor SHT15
-
46
ANEXO D - Escala de Beaufort
Grau Condição Km/h Efeitos em terra e no mar
0 Calma 118
Prejuízos e destruição graves e generalizados. Mar
revolto branco com ondas de 14 m e ar cheio de
espuma.
Fonte: CPTEC, 2006.
