Os nós sensores, conhecidos como dispositivos fim em uma rede Zigbee®, são, geralmente, alimentados por bateria. Desta forma, os nós sensores que compõem o sistema foram projetados para operar com baterias recarregáveis de íons de lítio de 3,7 V, decidindo-se por incorporar um carregador linear de bateria ao hardware destes dispositivos. Para este fim optou-se pelo circuito integrado MAX8606, produzido por MAXIM, que opera de 4,25 V a 5,5 V.
O TC1264, fabricado pela Microchip, foi utilizado para regular a tensão, oriunda da bateria, para 3,3V, sendo esta utilizada na alimentação de todos os componentes do hardware.
Os módulos Xbee® Series 2, transceptor selecionado para o projeto, foram configurados como dispositivo fim API (END DEVICE API – firmware versão 22A0) para integrar os nós sensores. Embora este transceptores sejam capazes de coletar dados e enviá-los sem a necessidade do uso de um microcontrolador externo, buscando maior flexibilidade, poder computacional e confiabilidade, o microcontrolador PIC 18F1320 foi selecionado para integrar o nó sensor. O 18F1320 é um microcontrolador fabricado pela Microchip, com 18 pinos, memória Flash de 8 KB, 256 bytes de memória SRAM e EEPROM, podendo operar a uma frequência de até 25 MHz. Além disso, dispõe de 16 pinos I/O, 7 canais A/D, módulo de captura e comparação PWM, 4 timers e módulo USART.
Os nós sensores foram construídos tendo em mente a aquisição da temperatura do ar, umidade relativa e velocidade do ar, pois, além de serem as variáveis de maior impacto na homeostase de frangos de corte (YAHAV et al., 2001; TAO & XIN, 2003; BLANES-VIDAL et al., 2008), são entradas da MLP proposta por LOPES et al. (2014).
Assim, para o sensoriamento da temperatura do ar e umidade relativa foi selecionado o módulo SHT11, um dispositivo compacto e de baixo consumo fabricado por Sensirion. O SHT11 possui interface serial e regulador interno de tensão e pode ser integrado de forma fácil e rápida a qualquer projeto de hardware. Apresenta exatidão de ±3 % para UR e ±0,4 ºC para T (@ 25 ºC)
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(SENSIRION, 2011). A cada grandeza mensurada, o SHT11 retorna três bytes, dois bytes de dados e um byte checksum, produzido por um gerador interno de CRC. Considerando a tensão de alimentação utilizada, a temperatura do ar pode ser calculada através da equação (3.1) e a umidade relativa, compensada por T, pela (3.2); ambas obtidas em SENSIRION (2011), folha de dados do SHT11.
(3.1)
Sendo que:
T – temperatura do ar;
dataT – inteiro formado pelos dois bytes, referentes à temperatura do ar, retornados pelo SHT11. + (3.2) Sendo que: UR – umidade relativa; T – temperatura do ar;
dataUR – interior formado pelos dois bytes, referentes à umidade relativa, retornados pelo SHT11.
A velocidade do ar é mensurada por um sensor de hélice, de princípio indutivo, adaptado a partir de um anemômetro digital fabricado pela empresa BENETECH. Este sensor, mostrado na Figura 3.10, é dotado de quatro pinos, dois destinados à alimentação, um para habilitar/desabilitar o sensor e uma saída, onde se pode mensurar o período entre pulsos consecutivos.
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A correspondência da saída do sensor com valores de velocidade do ar em m s-1 pode ser obtido através da equação (3.3).
(3.3)
Sendo que:
VA – velocidade do ar;
dataVA – inteiro que representa o tempo transcorrido entre dois pulsos na saída do sensor (cada unidade equivale a 25,6 µs).
A equação (3.3) foi ajustada com relação a uma referência (anemômetro) em um experimento descrito (materiais, métodos e resultados) no próximo capítulo (Seção 4.1).
Um dos canais analógicos do PIC 18F1320 está conectado a um divisor de tensão, cujo resultado da conversão de analógico para digital servirá ao cálculo da tensão, equação (3.4), ou percentual de carga da bateria, equação (3.5).
(3.4)
Sendo que:
U – tensão da bateria em V;
dataB – inteiro obtido pela conversão da leitura analógica realizada no divisor de tensão em digital (conversor de 10-bits).
(3.5) Sendo que:
P – Percentual de bateria restante;
dataB – inteiro obtido pela conversão da leitura analógica realizada no divisor de tensão em digital (conversor de 10-bits).
A equação (3.4) foi ajustada empiricamente com o auxílio de um multímetro digital Hikari HM-2030. Basicamente, é a equação da reta que intercepta os pontos (880, 3,7 V) e (979, 4,11 V), que relacionam um valor de dataB (abscissa) a uma tensão mensurada com o multímetro (ordenada). Esta equação poderia ser encontrada pela primeira lei de Ohm se não houvesse um transistor em série com o divisor de tensão. O objetivo da inclusão do transistor foi evitar que o divisor de tensão continuasse a consumir energia durante o período de sleep (estado de economia de energia) do nó sensor. A equação (3.5) foi obtida a partir da equação (3.4), tomando 3,7 V como carga mínima (0 %) e 4,11 V como
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O diagrama de blocos apresentado na Figura 3.11 relaciona os principais componentes do hardware do nó sensor. O esquemático e layout, em duas camadas, da placa de circuito impresso são apresentados no APÊNDICE D, sendo os arquivos fonte originais de seu projeto KiCad (sensor_module) disponibilizados na página do projeto Poultrinux. Apesar de o sensor de velocidade do ar ser uma adaptação do anemômetro BENETECH, seu esquemático e layout, também, estão disponíveis no APÊNDICE D e em seu projeto KiCad (wind_sensor) no site deste sistema de automação.
Figura 3.11 – Diagrama de blocos simplificado do hardware do nó sensor, incluindo representação do processo de recarga da bateria.
A Figura 3.12A exibe o nó com apenas o sensor SHT11, enquanto na Figura 3.12B todos os sensores, temperatura do ar, umidade relativa e velocidade do ar, estão conectados ao módulo e alojados em um gabinete de proteção. O gabinete foi projetado para que os sensores ficassem posicionados, aproximadamente, na altura do peito de aves adultas. A altura do gabinete é de 25 cm, onde os sensores encontram-se a cerca de 20 cm do solo. Estes valores tomaram como referência a altura média de aves adultas, com idade de 21 a 42 dias, variando de 26 a 53 cm (STRESSER et al., 2012). Além disso, este gabinete; confeccionado principalmente através de tubos de PVC (polyvinyl chloride – policloreto de vinila), tornando-o facilmente replicável; confere proteção ao nó e a seus sensores para testes em campo.
SHT11 PIC18F1320
Xbee® Series 2 Bateria de íon de lítio
3,7 V TC1264 MAX8606 Sensor VA “sensor” de carga de bateria divisor de tensão + transistor Fonte 5 V Hardware do Nó Sensor sensor 3,3 V Carregar bateria
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Figura 3.12 – Nó com sensor SHT11 (A) e em gabinete de proteção com SHT11 e sensor de VA (B).
O software do nó sensor permite que este opere em dois modos distintos, sendo: comando e sensoriamento. No modo de comando, o nó aguarda por solicitações de envio de dados adquiridos a partir de seus sensores. Já no modo de sensoriamento, a aquisição e envio destes dados ocorre periodicamente, quando o nó sai de um estado de economia de energia, excepcionalmente, para execução destas tarefas.
A escrita deste software baseou-se na ideia de sub pacotes encapsulados por pacotes API (Zigbee Transmit Request e Zigbee Receive Packet), os quais, assumindo o nó sensor como referência, foram divididos entre Recepção e Transmissão.
O sub pacote de Recepção apresenta três campos:
Modo – permite alterar o modo de operação do nó ou realizar uma solicitação de aquisição e envio de dados de sensores;
Sensores – assinala quais sensores terão seus dados adquiridos e enviados, seja como resposta a uma solicitação ou periodicamente quando no modo de sensoriamento;
Tempo – seleciona a periodicidade de aquisição e envio de dados de sensores, quando no modo de sensoriamento, ou o período de inatividade máximo (sem recepção de subpacotes), quando no modo de comando.
O sub pacote de Transmissão, também, apresenta três campos:
Modo – informa o modo que o nó está operando;
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Sensores – especifica os sensores que têm seus dados inclusos no sub pacote;
Dados dos Sensores - dados dos sensores especificados no campo Sensores.
Existe um sub pacote de Transmissão especial, chamado sub pacote de inicialização, que não possui o campo Dados dos Sensores. Este só é utilizado quando o nó acaba de ser ligado, sendo um meio de o coordenador ficar ciente dos sensores disponíveis no nó. O APÊNDICE B apresenta o detalhamento da estrutura dos sub pacotes, entre outras informações adicionais sobre o software do nó sensor.
A Figura 3.13 traz um fluxograma que resume o funcionamento do software do nó sensor.
Figura 3.13 – Fluxograma do software do nó sensor. faça enquanto tempo < 30s faça enquanto tempo < 10s Início i =0;i<3;i++ Modo? sleep (pelo período especificado no sub pacote) Ingressou em uma rede? sleep (indefinidamente para economizar bateria) faça Recebeu sub pacote? Envia sub pacote
com dados de sensores i =0;i<2;i++ enquanto tempo < 5s Recebeu sub pacote? enquanto não chega no máximo de tempo ocioso especificado no sub pacote
Reinicia a contagem de tempo ocioso faça Recebeu sub pacote? V V V V V F V F F F F F SNS CMD sim sim sim não não não Envia sub pacote de inicialização Legenda:
CMD – Modo de comando, SNS – Modo de Sensoriamento, CMDR – requisição de dados de sensores, V – Verdade (repete), F – Falso (para de repetir).
Envia dados de sensores requisitados CMDR? sim
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Inicialmente, o nó aguarda por seu ingresso em uma rede de sensores; caso isso não seja alcançado dentro de trinta segundos, este entra no estado de sleep indefinidamente. Na sequência, o nó tenta estabelecer a comunicação com o coordenador, realizando até três tentativas. Em cada tentativa o nó envia um sub pacote de inicialização ao coordenador e aguarda pela confirmação. Quando o coordenador confirma, sub pacote de Recepção, o nó sensor é colocado em um dos modos de operação disponíveis. A falha em todas as tentativas de estabelecer a comunicação com o coordenador tem como consequência a entrada do nó no estado de economia de energia por tempo indeterminado.
No modo de sensoriamento, quando o nó “desperta”, este envia um sub pacote de Transmissão ao coordenador e aguarda pela confirmação. A confirmação pode mudar ou manter o modo de operação do nó. A não recepção da confirmação por até duas tentativas, faz com que o nó volte ao sleep pelo mesmo período anterior.
No modo de comando, sempre que um sub pacote é recebido, se for uma solicitação, os dados dos sensores solicitados serão enviados, caso contrário, o contador do período de inatividade é reiniciado e verifica-se qual o “novo” modo de operação. Se o contador do período de inatividade alcançar o valor máximo, o nó é colocado em sleep por tempo indeterminado.
A Figura 3.14 ilustra a troca de sub pacotes entre o módulo central e um nó sensor. Neste sistema de automação, o módulo central assume o papel de coordenador, onde após receber um sub pacote de inicialização, solicita ao nó, origem deste sub pacote, a aquisição e envio de dados de seu sensores. Ao receber dados de sensores, o módulo central, imediatamente, coloca o nó que os enviou no modo de sensoriamento.
Figura 3.14 – Comunicação entre módulo central e nó sensor. Módulo Central Nó Sensor Módulo Central Nó Sensor
linha do tempo linha do tempo
Evento Inicial Modo de Sensoriamento
Evento periódico em intervalo de tempo definido pelo Módulo Central
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As equações (3.1), (3.2), (3.3), (3.4) e (3.5) não foram utilizadas no código do nó sensor, sendo utilizadas pelo módulo central ou ferramentas de teste. O nó sensor envia dataT, dataUR, dataVA e dataB.
O código fonte e arquivos de cabeçalho criados durante o desenvolvimento do software do nó sensor estão agrupados em seu projeto MPLAB (xbee_module.X), que está disponível em www.poultrinux.blogspot.com.br.