Sensor ultrassônico HC-SR04

O sensor ultrassônico HC-SR04 é capaz de medir distâncias de 2 centímetros a 4 metros, com ótima precisão e baixo preço. Sua alimentação deve ser realizada com 5 Volts em corrente contínua, possuindo uma corrente de operação igual a 2 mA e, portanto, podendo ser utilizado no Arduino. A forma física do sensor pode ser vista na Figura 14.

Figura 14 – Sensor HC-SR04.

Fonte: (O MECATRÔNICO, 2013).

O funcionamento deste sensor é baseado do envio de sinais ultrassônicos que, quando encontram um obstáculo, são refletidos e retornam ao sensor. A distância entre o objeto e o sensor é calculada através do tempo em que o sinal enviado leva para retornar. A Figura 15 ilustra o funcionamento do sensor.

Figura 15 – Detecção de objeto com o sensor HC-SR04.

3.2.1.3 Montagem

Em um primeiro momento, testes foram realizados em uma Protoboard, ferramenta de grande utilidade na montagem de circuitos eletrônicos pela não necessidade de solda dos componentes na ligação dos mesmos. O teste inicial pode ser visualizado na Figura 16.

Figura 16 – Protótipo versão 01.

Fonte: Autor.

Devido o sensor HC-SR04 possuir um ângulo de medição de 15º, a utilização de apenas um sensor torna-se pouco confiável na captação dos obstáculos. Como solução ao problema abrangendo a versão inicial, houve a implementação de um segundo sensor do mesmo tipo, que obteve uma grande melhora na área de captura dos obstáculos. Agora, o protótipo reconhece e diferencia obstáculos localizados mais à esquerda ou à direita na rota do usuário. O código necessitou de alterações para executar a integração com este novo sensor. O esquema pode ser visto na

Figura 17.

Figura 17 – Protótipo com 2 sensores.

Fonte: Autor.

Após os testes na Protoboard a fim de calibrar as distâncias favoráveis ao uso do aparelho em ambiente externo, os dispositivos foram acoplados em um cinto de couro, modelo padrão. O microcontrolador, a bateria para a alimentação do projeto e demais placas foram fixadas em uma caixa de acrílico. A Figura 18 mostra o fluxograma de funcionamento da parte de sensoriamento do projeto.

Figura 18 – Fluxograma de funcionamento.

Fonte: Autor.

Quando um obstáculo é detectado, o aviso ao usuário irá depender da distância em que ele se encontra do obstáculo. Quanto mais perto ele estiver, menor será o período entre um beep (aviso pulsante) e outro. Na Figura 19, podemos

observar a montagem inicial do protótipo para testes móveis. Figura 19 – Montagem provisória do protótipo.

Por se tratar de uma montagem provisória apenas para realização de testes, os sensores ultrassônicos foram fixados no cinto de couro através de abraçadeiras de nylon, bem como a sua caixa contendo todo o circuito e alimentação.

3.2.2 Protótipo versão 2

O ambiente externo é um local onde podem existir diversos empecilhos que dificultam o deslocamento diário dos seres humanos com deficiência visual. A presença de escadarias em locais públicos, comerciais e até residenciais torna-se um desafio para estas pessoas transitarem sem a ocorrência de quedas, que, dependendo da altura em questão, podem ser até fatais.

Um novo recurso adicionado ao protótipo será o reconhecimento de degraus para que o problema acima possa ser solucionado. O recurso consiste na inserção de um terceiro sensor ultrassônico do mesmo modelo aos anteriores, porém este instalado com um ângulo de 40º em relação ao solo. Em tese, o sensor há de captar sempre a mesma distância quando o usuário estiver caminhando, então, quando ocorrer medições de distâncias maiores, significa que há modificações no solo, que podem ser escadarias, buracos ou até mesmo abismos. Para uma melhor compreensão, o esquema será ilustrado na Figura 20.

Figura 20 – Esquema utilizado na detecção de modificações no solo.

Fonte: Autor.

A figura acima demonstra o funcionamento deste recurso, o traço em vermelho corresponde à distância do usuário ao solo, sempre a mesma em

superfícies regulares. Quando esta distância aumenta de forma brusca, sabemos que o cego deverá parar imediatamente e redobrar a sua atenção.

3.2.2.1 Altura do usuário

De fato, cada usuário possui uma altura “x” em metros. Este parâmetro modifica a confiabilidade do novo recurso, já que a distância entre a cintura do usuário até o solo será específica em cada pessoa. O código desenvolvido será capaz de detectar e armazenar esta distância quando o dispositivo for ligado e, em seguida, executar uma varredura automática a todo instante para verificar se há alterações neste valor tido como referência. Deve-se considerar uma margem de erro pelo fato do sensor não possuir uma precisão e exatidão de 100%. Por exemplo, um usuário de 1,79m de altura possui uma distância da sua cintura até o solo, considerando o ângulo de 40º, de 125 centímetros. Para valores maiores que 129 centímetros (utilizando uma margem de erro de 4 centímetros), o Buzzer é acionado de forma constante para que o deficiente visual saiba que deve parar e seguir em outra direção, ou então, caminhar vagarosamente até a detecção do primeiro degrau, sendo o caso de uma escadaria.

3.2.3 Protótipo versão 3

Posteriormente, o componente SIM800L foi adicionado ao projeto. Trata-se de um módulo GSM - Global System for Mobile Communications, que significa Sistema

Global para Comunicações Móveis. Ele consiste em um pequeno dispositivo que suporta um cartão SIM, do inglês Subscriber Identity Module – Módulo de

Identificação de Assinante, o mesmo usado em nossos aparelhos celulares para ligar para outro aparelho, armazenar números na agenda telefônica, mensagens de texto e outras informações.

Vinculado ao Arduino, o SIM800L é capaz de enviar uma mensagem de texto para um número de telefone inserido na linguagem de programação interpretada pelo microcontrolador. Assim, quando o usuário necessitar de ajuda (por estar possivelmente perdido), ele simplesmente pressiona um botão e automaticamente é enviado um SMS com uma mensagem de socorro ao telefone do familiar ou da pessoa de confiança cadastrada no módulo. Na Figura 21, podemos observar a

estrutura física do mesmo.

Figura 21 – Módulo SIM800L.

Fonte: (LinkSprite Playground, 2016).

Como o módulo necessita de uma tensão entre 3,7 e 4,2 Volts e uma corrente de 2000 mA disponível para o sucesso no envio do SMS, o mesmo não pode ser alimentado através das portas do Arduino, que transmitem no máximo 50 mA. Então, houve a necessidade do projeto de um divisor de tensão para ligá-lo à mesma bateria Power Bank que alimenta o Arduino. O esquema pode ser visualizado na Figura 22.

Figura 22 – Divisor de tensão.

Fonte: Autor.

A equação padrão do divisor de tensão pode ser vista abaixo: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 . 𝑅2

𝑅1 + 𝑅2

Sabendo-se que a entrada Vin é 5 Volts e a saída Vout deve ser 4,2 Volts, obtém-se a seguinte relação entre R1 e R2:

𝑅2

𝑅1= 5,25 Estabelecendo que R1 seja 680 Ω, tem-se:

𝑅2 = 5,25 . 680 = 3570 ≅ 3,6 𝑘Ω

Assim, o módulo SIM800L pode ser alimentado em uma tensão de 4,2 Volts através do Power Bank.

3.2.4 Protótipo versão 4

Alertar uma pessoa de confiança do usuário por meio de uma mensagem de texto apenas com o conteúdo, por exemplo, “Socorro! Estou em perigo!” pode se transformar em um recurso pouco inteligente agregado ao projeto. Como solução, será acoplado um módulo GPS, do inglês Global Positioning System, que significa

Sistema de Posicionamento Global. Trata-se de um dispositivo que funcionará em conjunto com a plataforma Arduino, informando ao microcontrolador a localização do

usuário, enviando dados referentes a latitude e longitude. Quando o usuário estiver em perigo ou apenas perdido, o número de telefone do familiar cadastrado no código receberá um link compatível com a plataforma Google Maps, sendo necessário apenas um clique para localizar o deficiente visual através das coordenadas recebidas pelo microcontrolador. O familiar poderá visualizar, também, a data e hora referentes à aquisição das mesmas. Na Figura 23, podemos observar o aspecto físico do módulo.

Figura 23 – Módulo GPS GY-NEO6MV2.

Fonte: (Fritzing, 2016).

Trata-se de um módulo comumente utilizado em projetos para Arduino que contenham a finalidade de localização por ter um custo relativamente barato em relação aos outros, possuindo uma ótima precisão.