O Módulo de Hardware do Smart Place é formado pelos dispositivos. Para atender às diferentes dimensões e composições de ambientes, foram atribuídos papeis a cada dis- positivo que irá controlar o ambiente, os Agentes Master e o Slave. O Agente Master é a unidade de controle principal, cujo papel é carregar a configuração, manter a comuni- cação com o FIWARE e controlar o Agente Slave, que, por sua vez, pode ser múltiplos dispositivos com atribuições especificas e tomada de decisão subordinada ao único Agente Master. O Agente Master é centrado na Raspberry Pi e conectado aos demais componen-
38 tes, conforme apresentado na Figura 10.
Figura 10: Agente Master - Raspberry Pi 3
No esquema apresentado na Figura 10, o sensor de movimento está conectado à porta GPIO 16 do Raspberry Pi, é alimentado com uma tensão de 5V, o DHT11 é alimentado pela tensão de 3.3V e sua leitura é feita pela porta GPIO 21 e os LEDs que indicam estado de ar condicionado ligado e de detecção de presença estão ligados às portas 12 e 26, respectivamente.
A presença dos emissores infravermelhos Tsal6200 é um elemento diferencial em rela- ção ao emissor de alta potência utilizado por (SOARES, 2017), visto que testes realizados
demostraram um maior alcance e amplitude do sinal infravermelho combinando duas unidades desses emissores, que possibilitou ao circuito um alcance superior a 10 metros.
O Agente Slave possui o NodeMCU como controlador, por ser exigido um menor processamento e por se tratar de um microcontrolador com menor custo que o Raspberry Pi. Um esquemático do protótipo do Agente Slave conectado a uma protoboard para ilustrar as conexões pode ser visualizado na Figura 11.
No esquemático apresentado na Figura 11, o NodeMCU possui dois emissores in- fravermelhos, dois sensores de movimento, um sensor de temperatura e um LDR. Esse esquemático ilustra a composição de um protótipo construído para controlar dois apa- relhos de ar condicionado em uma sala dividida em 3 seções com um aparelho em cada seção. Os dois sensores de movimento foram inseridos para melhorar o controle de qual seção estava sendo ocupada por pessoas.
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Figura 11: Agente Slave - NodeMCU ESP8266
4.2.1 Processo de montagem do dispositivo
A construção dos dispositivos se inicia a partir da aquisição dos seus componentes. Em seguida é realizada a conexão desses com o controlador, bem como a elaboração dos circuitos elétricos próprios. O dispositivo com papel de Agente Master possui mais recursos e a listagem de componentes de hardware utilizados é apresentado na Tabela 1, onde é descrito o componente e seu preço atualmente. Como pode ser visualizado na tabela, o valor total deste dispositivo é R$ 698, 38 e nota-se que a Raspberry Pi, a câmera e caixa portadora são os itens que mais impactam nesse valor.
De posse dos componentes, previamente testados, monta-se o circuito, soldando os resistores, transistores e fios na placa de circuito ilhada para conectar nos sensores e atuadores, bem como em uma barra de pinos fêmea que será plugada nas portas GPIO da Raspberry Pi. Na Figura 12a é apresentada a placa de circuito ilhada com os componentes soldados. Após essa fase completa, a placa é inserida na estrutura portadora junto com a Raspberry, já com a barra de pinos fêmea plugada. Os fios são posicionados para conectar os componentes externos, como é o caso dos emissores infravermelho, que são soldados em paralelos, mostrado na Figura 12b, e do sensor DHT11. O sensor de presença é conectado a fios sodados na barra de pinos fêmea diretamente (sem conectar no circuito); Os LEDs vermelho e verde, são posicionados nos orifícios reservados da estrutura com os terminais GND soldados em comum; A câmera é plugada na interface CSI da Raspberry Pi; Por fim, é conectado o cabo de alimentação. A Figura 12c demonstra a estrutura com todos os componentes internos.
40 Tabela 1: Componentes do Dispositivo
Componente Preço
Raspberry Pi 3 Model B com Fonte 3A 5V R$ 252,00
Módulo de Câmera V2 R$ 195,00
Sensor de umidade e temperatura DHT11 R$ 9,00 Sensor de movimento PIR HC-SR501 R$ 8,30 Cartão de memória 16GB Classe 10 R$ 32,50
Resistor 10K 1/4W R$ 0,07
Resistor 2R2 1W R$ 0,14
Resistor 300R 1/4W R$ 0,07
2x Led emissor infravermelho Tsal6200 R$ 2,80
Transistor TIP31c R$ 1,70
Led difuso 5mn (Verde) R$ 0,20
Led difuso 5mn (Vermelho) R$ 0,20
Caixa portadora modelada em impressora 3D R$ 180,00 Placa de circuito Ilhada 2x8 R$ 2,90 Barra de pinos Fêmea soquete 1X40 R$ 1,50
Outros materiais R$ 3,00
Total R$ 689,38
(a) Circuito (b) Componentes externos (c) Interior da estrutura Figura 12: Processo de montagem de dispositivo na estrutura portadora
Para construir o dispositivo do Agente Slave foram utilizados os componentes apre- sentados na Tabela 2. O preço total do equipamento foi R$ 198, 05, 71% menor que o valor total do dispositivo com a Raspberry Pi, e poderia ser ainda menor se não fosse o alto custo da estrutura portadora. Para construir o módulo, não se soldou os componen- tes, por se tratar ainda de um protótipo, mas, idealmente, os circuitos dos dois emissores e do DHT11 são inseridos na placa de circuito ilhada, além dos fios para conectar nos respectivos componentes e nos dois sensores de movimento, que não suporta uma conexão direta com o NodeMCU por existir um único terminal capaz de fornecer uma tensão de 5V (terminal vin do microcontrolador).
Os dispositivos montados dos Agentes Master e Slave podem ser visualizados na Figura 13a e Figura 13b, respectivamente. A estrutura portadora do NodeMCU foi feita
41 Tabela 2: Componentes do Agente Escravo
Componente Preço
NodeMCU 1.0 ESP8266 R$ 40,00
Fonte micro usb R$ 20,00
Sensor de umidade e temperatura DHT11 R$ 9,00 2x Sensor de movimento PIR HC-SR501 R$ 16,60
Resistor 10K 1/4W R$ 0,07
2x Resistor 2R2 1W R$ 0,28
2x Led emissor infravermelho Tsal6200 R$ 2,80
2x Transistor TIP31c R$ 3,40
Caixa portadora modelada em impressora 3D R$ 100,00 Placa de circuito Ilhada 2x8 R$ 2,90
Outros materiais R$ 3,00
Total R$ 198,05
em uma iniciativa piloto e, por problemas de cálculo acerca do espaço interno, o circuito elétrico acabou ficando externo a estrutura.
(a) Master (b) Slave
Figura 13: Dispositivos montados
4.2.2 Comunicação entre os dispositivos agentes
Na versão inicial do uso de dispositivos distribuídos em diferentes agentes, a comuni- cação interna utilizada acontecia por meio de HTTP. Isso ocasionou inúmeros problemas devido às limitações de processamento do NodeMCU. Para resolver os problemas, foi re- alizado um estudo com diferentes técnicas de comunicação. O estudo consistiu em medir o tempo usando a infraestrutura real entre uma requisição do Raspberry Pi e a resposta dada pelo NodeMCU ao longo de dez mil publicações. As técnicas estudadas foram os protocolos HTTP, WebSocket e o broker MQTT. Foi executado o experimento para cada
42 um dos protocolos e o resultado do comportamento de cada um ao longo das dez mil iterações é apresentado na Figura 14.
Figura 14: Estudo comparativo da eficiência entre MQTT, HTTP e WebSocket Como é possível visualizar na Figura 14, o protocolo HTTP obteve o maior tempo de resposta, se mostrando mais ineficiente dentre os estudados, com o tempo de resposta 5 vezes pior do que o WebSocket e 4 vezes que o MQTT.
Apesar do experimento apontar WebSocket com melhor desempenho, com tempo de resposta ligeiramente melhor do que MQTT, o protocolo trata o processo de comunicação em um nível de abstração menor, ou seja, seria necessário desenvolver todos os mecanismos de controle de envio/recebimento de dados, o que acabaria tornando o desempenho igual ou pior que o MQTT. Além disso, seria necessário criar mecanismos que possibilitem a distribuição entre uma infinidade de dispositivos, algo que o MQTT já oferece. Com isso, foi adotado o broker MQTT para comunicação entre os agentes em ambientes que necessitam de múltiplos dispositivos, seja pela quantidade de aparelhos de ar condicionado ou pelo amplo tamanho do espaço que será controlado.