Smart Bike: Plataforma Aberta para Monitoramento e Gestão de Transporte
Urbano baseado em Bicicletas Elétricas e IoT
Raquel Sales de Azevedo1 Vítor Marques de Castro2
Vinicius de Andrade Barros3 Barbara Pascon de Azevedo Marques4 Fábio Henrique Cabrini5
Resumo:
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma plataforma para o gerenciamento de bicicletas elétricas através do uso de geolocalização em campus universitários, empresas ou locais que estabeleçam micro modais de mobilidade. A plataforma Smart Bike realiza as seguintes funções: efetua o cadastro de potenciais usuários; realiza a liberação da bicicleta; inspeciona o consumo de energia da bateria; e monitora em tempo real a localização das bicicletas. O sistema também utiliza um aplicativo móvel que possibilita o desbloqueio por leitura de QR Code. A plataforma Helix Sandbox NG foi selecionada como back-end da solução, gerenciando as informações de contexto, ou seja, o envio e o recebimento de dados provenientes das bicicletas, que junto a Application Programming Interface (API), interopera com o front-end na realização do cadastro e gerenciamento da plataforma. Ao final deste trabalho é apresentado os resultados do desenvolvimento do Módulo de Controle e Localização de Bicicletas cujo módulo é fixado nas bicicletas e a listagem de componentes necessários para a construção deste módulo, bem como o desenvolvimento do aplicativo móvel necessário para desbloquear as bicicletas para os usuários se locomoverem no Smart Campus e o desenvolvimento do dashboard de controle das Smart Bikes.
Palavras-chave: Smart Bikes. Smart Campus. IoT. Smart Environments. Abstract:
This paper represents the development of an electric bicycle management platform through the use of geolocation in a university campus, companies, or locations that implement micro-mobility models. The platform Smart Bike has the following features: registrations of potentials users; bicycle unlocking; performs the bicycle battery energy consumption monitoring; and band real-time bicycle location monitoring. The system also uses a mobile application that enables users to unlock a bicycle through the QR Code reader. The Helix Sandbox NG platform was used as the solution back-end, this platform has as its function be the context information manager, in other words, the data send and received from the bicycles besides, together with the Application Programming Interface (API), interoperate with front-end to perform users registration, beyond managing the platform. At the front-end of this paper it is presented the results of the development of the Control and Location Module of Bicycles whose module is fixed on the bicycles and the list of components necessary for the construction of this module, as well as the development of the mobile application necessary
1 Engenheira de Computação pela Faculdade de Tecnologia Termomecanica. E-mail: raquel.sales.azevedo@hotmail.com 2 Engenheiro de Computação pela Faculdade de Tecnologia Termomecanica. E-mail: vitormcastro@outlook.com 3 Engenheiro de Computação pela Faculdade de Tecnologia Termomecanica. E-mail: viniciusdeandrade96@gmail.com 4 Engenheira de Computação pela Faculdade de Tecnologia Termomecanica. E-mail: barbarapascon@hotmail.com
to unlock the bicycles for the users move around the Smart Campus and the development of the Smart Bikes control dashboard.
Keywords: Smart Bikes. Smart Campus. IoT. Smart Environments. 1 Introdução
Uma das tendências mundiais é o uso de soluções alternativas para sanar problemas de mobilidade urbana. Um efeito disso é o crescente uso de bicicletas nas ruas e a adoção de políticas públicas para tornar as cidades cada vez melhores para as pessoas através da criação de programas de compartilhamento de bicicletas, do inglês Bicycle-Sharing Schemes, e para tal foram utilizadas as bicicletas elétricas integradas a tecnologia, também conhecidas como Smart Bikes que, segundo DeMaio (2003), permitem suprir as necessidades de locomoção dos indivíduos de forma ecológica e sustentável.
A introdução de inteligência por meio da tecnologia em sistemas de transportes, tal como vêm sendo adotado nas Smart Bikes, prepara o caminho para que micro modais de transporte se tornem um meio revolucionário e complementar ao transporte em massa (DeMaio, 2003).
Paul et al. (2017) definem micro modais como o estudo de elementos individuais envolvendo
sistemas de transporte como dinâmica de veículo individual e comportamentos individuais do viajante. Este sistema de transporte pode ser tanto uma bicicleta elétrica quanto um patinete elétrico, por exemplo.
Analisando os programas de compartilhamento de bicicletas elétricas presentes no Brasil, vemos o exemplo da Startup Grow, responsável pela operação do aplicativo Yellow Bike, que decidiu encerrar as operações de aluguel de bicicleta no Brasil. De acordo com a reportagem de um jornal digital, entre os serviços oferecidos originalmente pela Startup, ela continuará apenas com a locação dos patinetes e em apenas três das dezessetes cidades onde operava, sendo elas: São Paulo, Rio de Janeiro e Curitiba (Gazeta do Povo, 2020). Em entrevista para a coluna Pedala, do jornal UOL, o motivo para continuarem apenas nestas três cidades é porque elas possuem maior oportunidade de crescimento, além de serem onde existe uma ampla possibilidade de transformar a cultura da mobilidade urbana (Salgado, 2020).
Segundo Bicycling (2020), em nota oficial compartilhada em outra matéria online, a empresa informa que o sistema de Global Positioning System (GPS) já evitou episódios desagradáveis de furto das bicicletas, levando à sua recuperação, e a apreensão das pessoas envolvidas. Embora o furto seja uma grande adversidade, em entrevista à coluna Pedala do jornal UOL, a empresa afirmou que um dos maiores desafios é lidar com o vandalismo (Salgado, 2020).
Valendo-se dessa tendência mundial, o presente trabalho apresenta uma solução de gerenciamento, monitoramento e processamento de dados de electric bicycles (e-bikes), utilizando a Internet das Coisas (Internet of Things - IoT). Elas serão gerenciadas e monitoradas ao longo do percurso e seus dados como geolocalização, nível da bateria e velocidade, também são processados. Ao utilizar sistemas de gerenciamento e monitoramento de bicicletas acrescentando certa inteligência a elas por meio de tecnologias de IoT, transforma-se e-bikes em Smart Bikes, de acordo com DeMaio (2003), se obtém o melhor tanto da bicicleta como da tecnologia, pois, ao utilizar bicicletas o meio de transporte se torna sustentável.
No Brasil, soluções de compartilhamento de micro modais de transporte urbano como bicicletas e patinetes elétricos têm focado em ambientes abertos e públicos. Levando em consideração a extensão territorial e propriedades do campus Centro Educacional da Fundação Salvador Arena (CEFSA), ele foi utilizado como caso de uso para estudo e teste das aplicações desenvolvidas.
Este artigo científico propõe a elaboração de um sistema de gerenciamento através de uma página web para monitorar e rastrear as Smart Bikes em um Smart Campus, ambiente fechado, utilizando as linhas de pesquisa de IoT e computação em nuvem. As bicicletas são equipadas com componentes que permitem este monitoramento através do dashboard. Desse modo, foi desenvolvido um aplicativo móvel para controle da bicicleta (bloqueio e liberação da bicicleta) e consulta de informações da Smart Bike por parte do usuário.
2 Referencial Teórico
Nesse capítulo serão apresentadas as fundamentações teóricas que norteiam o desenvolvimento do projeto.
2.1 Global Positioning System (GPS)
A utilização do Global Positioning System (GPS) foi essencial para o desenvolvimento da plataforma, pois seu uso permeia todos os módulos dela. O GPS trata-se de uma rede criada pelo departamento de defesa dos Estados Unidos da América em 1978, composta de 24 satélites que orbitam o globo terrestre, espaçados de modo que pelo menos cinco sejam visualizados em todos os pontos do globo, transmitindo dados continuamente de navegação tanto militar como civil (Bajaj, Ranaweera e Agrawal, 2002).
Graças a sua popularização e aos benefícios à comunidade global, a rede GPS tem servido a diversos propósitos não militares, incluindo entrega de pacotes de rastreamento, comércio móvel,
resposta a emergências, exploração, recreação, rastreamento de animais e de objetos, além de sua ampla utilização mais recentemente no que tange a IoT.
2.2 Internet das Coisas (Internet of Things - IoT)
Foi desenvolvido um sistema de gerenciamento e monitoramento dos modais inteligentes utilizando tecnologias de IoT, que, segundo Khan et al. (2012), é uma tecnologia que pode ser considerada a evolução da Internet pois, além de possibilitar a comunicação machine-to-machine (M2M), permite a troca de mensagens com sistemas externos, possibilitando que os IoT’s ajam sobre a vida real através de sensores e atuadores, integrando o mundo virtual mediante a troca de mensagens.
Segundo Rose, Eldridge e Chapin (2015), a IoT tornou-se um termo popular para descrever cenários em que a conectividade com a internet e a capacidade computacional estende-se a uma variedade de objetos, dispositivos, sensores e itens do cotidiano.
De acordo com Atzori, Iera e Morabito (2009), IoT é um novo paradigma que está rapidamente ganhando espaço no cenário da telecomunicação sem fio, sendo que a ideia básica é que há uma imensa variedade de coisas ou objetos, que através de identificadores únicos possuem a habilidade de interagir e cooperar entre si para atingir objetivos pré-determinados.
2.3 Micro modais e Smart Campus
A mobilidade é um ponto importante do conceito de Smart Campus, que segundo Wang (2013), é uma aplicação moderna no paradigma de IoT. O conceito de construção de um Smart
Campus implica que a instituição adotou Tecnologia de Informação e Comunicação (TICs) avançada
para monitorar e controlar de forma automática as instalações do campus.
Segundo Paul et al. (2017), micro modais referem-se a todo meio/elemento individual de transporte, e tendo em vista o conceito de mobilidade em um Smart Campus, o micro modal escolhido para o desenvolvimento desse trabalho foi a bicicleta elétrica, que está cada vez mais inserida em países como Espanha, Itália, França, Holanda, Estados Unidos e Brasil por meio de sistemas de compartilhamento de bicicletas, que segundo Ruffieux et al. (2018), vêm crescendo e evoluindo ao redor do mundo, para facilitar o gerenciamento e a satisfação do usuário, auxiliando em viagens de curta distância.
Graças ao uso das tecnologias habilitadoras como computação em nuvem, redes de telefonia móvel, plataformas de back-end, novos protocolos de comunicação para IoT e novos devices, podem
ser cada vez mais empregados em sistemas de compartilhamento de bicicletas elétricas tanto no exterior como no Brasil.
Considerando as diferenças entre o desenvolvimento das cidades, se faz necessário a criação de novas abordagens para sistemas de compartilhamento de bicicletas com base em projetos pilotos, idealmente programas locais, que possam reconhecer alguma característica / condição local não observadas anteriormente, de acordo com Ruffieux et al. (2018), tanto o gerenciamento como o monitoramento de sistemas de compartilhamento, apesar de parecerem simples, são necessários para garantir a satisfação dos usuários através de um conjunto de bicicletas bem distribuídas e com quantidade apropriada para o público alvo.
2.4 FIWARE e Helix Sandbox NG
Como plataforma de back-end, foi escolhido o Helix Sandbox NG, que segundo Cabrini et al. (2019), trata-se de uma plataforma aberta para prototipagem rápida de aplicativos para Smart
Enviroments, desenvolvida com o propósito de simplificar a instalação e a configuração dos
principais Generics Enablers (GEs) fornecidos na arquitetura FIWARE, que segundo os autores, é um framework de componentes open source, ou seja, gratuitos, criados para acelerar o desenvolvimento de soluções inteligentes, ela é composta de uma plataforma modular constituída por diversos GEs que podem ser escolhidos conforme a necessidade através do catálogo disponibilizado pela FIWARE Foundation.
Tanto a plataforma Helix Sandbox NG, como a plataforma FIWARE, utilizam o protocolo
Next Generation Services Interface version 2 (NGSIv2), definido pela Open Mobile Alliance (OMA),
como principal protocolo para a troca de informações entre os elementos da plataforma, sendo o padrão adotado no desenvolvimento do sistema.
Ainda de acordo com os autores, a nova geração do CEF (Connecting Europe Facility)
Context Broker, possibilita a criação de uma nova geração de aplicativos para ambientes inteligentes
de forma mais simples, pois ela possui como objetivo explorar informações de contexto em larga escala e em tempo real.
Por meio de sua abordagem leve baseada em micro serviços, o CEF Context Broker é capaz de ser executado em qualquer infraestrutura, local ou baseada em nuvem, simplificando seu deploy e acelerando o desenvolvimento em diversos cenários. A arquitetura íntegra do CEF Context Broker baseia-se na interoperabilidade com a API HGSI-LD definida pelo ETSI (Rede Europeia de Normas de Telecomunicações) e que integra o CEF (Cabrini et al., 2019).
2.5 Ferramentas utilizadas no desenvolvimento do sistema
O desenvolvimento do sistema necessitou a utilização de diversas ferramentas, sendo que para o desenvolvimento do dashboard foi utilizado o framework Angular 9, que segundo Angular (2010), é um framework para design de aplicação e uma plataforma de desenvolvimento para criar aplicativos eficientes e de página única.
A criação do aplicativo móvel valeu-se do Xamarin.Forms, que segundo a Microsoft (2020), é uma plataforma open source e de código aberto, para a criação de aplicativos mobile para celulares iOS, Android e Windows com .NET, permitindo que seja compartilhado cerca de 90% do código entre as plataformas.
A criação da API possibilitou que fosse realizado a integração do aplicativo e do dashboard com a plataforma Helix Sandbox NG no back-end, sendo utilizado para isso a tecnologia ASP.NET Core, que segundo a Microsoft (2020), trata-se de um framework open-source, multiplataforma e com alta performance, criado para o desenvolvimento de aplicativos modernos, baseados em computação em nuvem.
A plataforma utiliza como banco de dados MongoDB, que segundo Chodorow (2013), trata-se de um banco de dados flexível e poderoso que combina a habilidade de trata-ser escalável, com recursos como agregações, ordenações, índices secundários, consulta intervalos, e índices geoespaciais.
3 Metodologia
Para análise das funcionalidades do aplicativo móvel e da plataforma de gerenciamento, ou
dashboard, foram utilizadas as técnicas de desenvolvimento estabelecidas pela Engenharia de
Software. A análise de requisitos foi utilizada para a definição do escopo do projeto, o que possibilitou identificar que a solução seria aplicada em um Smart Campus, em especial o campus do CEFSA, que foi escolhido para análise da implantação do projeto, elaboração da aplicação móvel e seus demais componentes com o objetivo de atender ao público alvo da instituição.
Após a etapa de levantamento de requisitos proposta pela Engenharia de Software, foi observado que o aplicativo móvel deveria contemplar as seguintes funcionalidades, dívidas em Requisitos Funcionais, ou seja, funcionalidades que são uma materialização de uma necessidade e resulta na construção no aplicativo móvel, visíveis ao usuário e Requisitos Não Funcionais, que definem como o sistema funcionará, ou seja, funcionalidades que não são visíveis ao usuário. São os requisitos:
Tabela 1 - Tabela de Requisitos Funcionais e Não Funcionais do APP Smart Bike
Requisitos Funcionais Requisitos Não Funcionais
Sistema de autenticação
Desenvolvimento com a tecnologia Xamarin.Forms Interface apresentando o histórico das últimas 5 corridas
realizadas pelo usuário com informações do local do desbloqueio, bloqueio e duração da corrida
Interface com informações de tempo, um mapa que possibilite acompanhar o deslocamento e a localização das
bicicletas
O aplicativo irá obter as coordenadas do local de desbloqueio e bloqueio da bicicleta da API e o aplicativo irá tratar as informações para exibir no
histórico Interface constando informações do usuário
Sistema de leitura baseado em QR Code para a
identificação da bicicleta desejada Utilizando a câmera do smartphone e biblioteca ZXing, será lido o QR Code para desbloqueio das
bicicletas Sistema para realizar o bloqueio e desbloqueio remoto
Fonte: Autoria própria.
Uma vez definidas as funcionalidades do aplicativo, foi necessário estabelecer as funcionalidades do dashboard de controle, seguindo o mesmo princípio da Engenharia de Software em dividir os requisitos em Requisitos Funcionais e Requisitos Não Funcionais. São eles:
Tabela 2 - Tabela de Requisitos Funcionais e Não Funcionais do Dashboard de Controle Smart Bike
Requisitos Funcionais Requisitos Não Funcionais
Sistema de autenticação
Desenvolvimento com tecnologia Angular 9 Visualização de informações da bicicleta, como: carga
atual da bicicleta, peso máximo que a bicicleta consegue carregar e o estado atual da bicicleta
Interface apresentando a localização das bicicletas que estão sendo utilizadas e por quem estão sendo utilizadas
Histórico de corrida de todas as bicicletas
O dashboard irá obter as coordenadas do local de desbloqueio e bloqueio da bicicleta da API e o
dashboard irá tratar as informações para exibir no
histórico Interface apresentando o histórico das últimas 5 corridas
realizadas pelo usuário
Detalhamento do histórico de corrida dos usuários
Interface para cadastramento dos usuários do sistema
Fonte: Autoria própria.
Após a definição das funcionalidades do aplicativo móvel e do dashboard, foram realizadas análises no CEFSA para verificar se o campus se enquadrava nos requisitos necessários para implantação da plataforma. Para tal, foi realizado o mapeamento das possíveis rotas em que as
bicicletas elétricas pudessem ser utilizadas, onde buscou-se analisar também as condições do sinal da rede Wi-Fi disponível.
O modelo de bicicleta elétrica utilizada nos testes foi a Gioia produzida pela empresa Pedalla. Esta bicicleta é equipada com um motor de 36V x 250W com 6.0Ah e 23,7 Kg. Após a análise da estrutura do quadro da bicicleta, foi definido o melhor local e formato do encapsulamento dos componentes de eletrônica embarcada, sendo definido um encapsulamento retangular, a ser instalado logo abaixo da estrutura do bagageiro traseiro da bicicleta.
Para o desenvolvimento do protótipo, foi levado em consideração não apenas o baixo custo dos componentes, mas também o desenvolvimento de uma solução voltada para o conceito de IoT com sistemas embarcados.
Para tal, foi definido que o dispositivo deveria ter um módulo Wi-Fi integrado. Após a análise de requisitos, foi observado e escolhido o módulo NodeMCU v3 desenvolvido pela Lolin e que utiliza o micro controlador ESP8266 da Espressif Systems. De acordo com a Espressif Systems (2020), esse módulo utiliza o micro controlador Tensilica L106 32-bit com arquitetura RISC, que garante baixo consumo de energia, embora possa atingir um clock máximo de 160 MHz, possui Wi-Fi integrado, suportando os padrões de rede sem fio 802.11 b/g/n, utilizando a faixa de 2.4 GHz para sua comunicação de até 72,2 Mbps, tendo como alcance aproximadamente 90 m.
O módulo NodeMCU v3 possui tensão de operação variando de 2.5 V à 3.6 V, podendo ser alimentado com 4,5 V à 9 VDC, possui corrente de operação média de 80 mA, memória RAM de cerca de 50 kB, dispõe de memória Flash com capacidade de 4 MB teórica, possui 11 portas GPIO (General Purpose Input/Output), além de suportar taxa de transferência de dados de 110 à 460800bps e trabalhar entre -40ºC e 125ºC.
Para realizar a leitura das coordenadas enviadas pelos satélites de GPS, foi escolhido o módulo GPS GY-NEO6Mv2 desenvolvido pela u-blox. Esse módulo possui tensão de operação de 3.3 V, consumo de 45 mA, e utiliza o protocolo de comunicação RS-232 ou serial TTL, compatível com o MCU escolhido.
Foi escolhido um módulo relé de 1 canal desenvolvido pela Metaltex para simular o sistema de locker, responsável por realizar o bloqueio e desbloqueio da bicicleta. O módulo em questão trabalha com tensão de operação de 5 V (compatível com a placa base de expansão), tensão máxima de carga de 240 VAC ou 30 VDC, corrente máxima de carga de 10 A, sendo acionado por meio da aplicação de tensão no pino IN.
Para realizar a integração do módulo GPS e do Relé com o NodeMCU foi necessário a utilização de uma placa base de expansão própria para o NodeMCU v3, pois seu tamanho
comprometia o encaixe com a maioria das outras protoboards presentes no mercado. Essa placa de expansão possui conector P4 para alimentação externa de 6 a 24 VDC, possui circuito integrado regulador de tensão de até 1 A, barras de pinos com sinais de 3,3 e 5 V, e tensão igual a tensão de entrada, a gravação dos programas no NodeMCU pode ser feita com as placas conectadas.
Foi utilizado uma bateria de 9 V para alimentar o sistema.
Após a definição dos módulos a serem utilizados, o próximo passo foi desenhar o esquema elétrico do projeto de acordo com as especificações de cada módulo.
Em seguida, foi elaborado o desenho de um case protetor quadrado para o device para ser impresso em uma impressora 3D, partindo do conceito de que os sensores não podem estar expostos aos efeitos da natureza.
A plataforma de back-end escolhida foi o Helix Sandbox NG que disponibiliza o CEF Context
Broker desenvolvido pela FIWARE Foundation e que também é utilizado no programa CEF da União
Europeia. Além de ser um broker que utiliza o modelo de dados padronizado pelo European
Telecommunications Standards Institute (ETSI), que garante a interoperabilidade da plataforma
Smart Bike com outras plataformas em ambientes de Cidades Inteligentes.
Após a escolha da plataforma de back-end, foi desenvolvido o diagrama da arquitetura com o objetivo de apresentar os elementos que a constituem e como eles se interagem, além de servir de guia para a elaboração do projeto.
Foi elaborado o Diagrama Entidade Relacionamento (DER), do banco de dados do projeto e, com base nesse diagrama, foi desenvolvida a API utilizando a tecnologia ASP.NET Core.
Durante o processo de elaboração da API, foram implementadas lógicas de negócio e tratamento de erros antes da efetivação das requisições HTTP serem realizadas na plataforma Helix Sandbox NG e armazenadas no banco de dados MongoDB. Por fim, foi feita a publicação da API na plataforma Azure e a criação da documentação dela através da plataforma Swagger.
Em seguida, foi realizado a prototipagem do aplicativo com objetivo de definir o layout e como as telas iriam interagir. Posteriormente, foi executado o desenvolvimento do aplicativo móvel e efetivado sua integração com a API, para tal, foi utilizado a plataforma Xamarin.Forms. Ao término de seu desenvolvimento, foi realizado sua publicação na loja de aplicativos Google Play com o nome Smart Bike.
Por fim, foi desenvolvido o dashboard de controle baseado no Angular 9, foram implementadas as funcionalidades previamente definidas para o dashboard, integrando-o com a API. Além disso, foram realizados testes com corridas feitas pelo usuário e publicado na plataforma Azure.
4 Resultados
Nesta seção serão apresentados os resultados do desenvolvimento da arquitetura proposta e seus módulos, iniciando com um diagrama que exibe o relacionamento entre os módulos, o detalhamento da construção do módulo de controle e localização das bicicletas, o resultado do DER do projeto, o resultado do desenvolvimento do APP Smart Bike e também o resultado do desenvolvimento do dashboard de Controle da Plataforma Smart Bike.
4.1 Arquitetura do Projeto
Nesta seção serão apresentados, em linhas gerais, o funcionamento e funcionalidades dos módulos criados a partir da arquitetura desenvolvida para a solução.
A arquitetura apresentada na Figura 1, revela os componentes que constituem a solução Smart Bike. O APP Smart Bike (1), é responsável por facilitar a localização, liberação e bloqueio das bicicletas pelo campus. A bicicleta (2) tem adicionada em sua estrutura o módulo de computação embarcada que é composto pelos módulos GPS com antena, NodeMCU, módulo relé ou bloqueador e sensor de correte.
Figura 1 - Arquitetura da plataforma Smart Bike
Fonte: Autoria própria.
Ainda na Figura 1, à direita do diagrama está a plataforma de back-end Helix (3), responsável por receber as informações dos dispositivos IoT, realizar o desbloqueio e liberação das bicicletas e
parte inferior, é possível identificar o dashboard (4), que realiza o cadastramento dos usuários, monitoramento das bicicletas espalhadas no campus e apresenta informações detalhadas das corridas realizadas pelos usuários.
Quanto ao funcionamento, o usuário do APP (1) utiliza a rede móvel ou Wi-Fi para localizar a bicicleta e solicitar o desbloqueio para a plataforma de back-end (3), através da leitura do QR Code. Os dados da bicicleta (2) trafegam via rede Wi-Fi para que a solicitação seja atendida ou não. A partir do início da corrida, os dados são armazenados no banco de dados da plataforma back-end (3), para que sejam exibidos no histórico de corridas do dashboard de Controle da Plataforma e do APP Smart Bike.
4.2 Módulo de Controle e Localização da Bicicleta (MCLB)
Nesta seção serão apresentados detalhes sobre o desenvolvimento do MCLB, itens necessários para a composição do módulo, o esquema elétrico de ligação dos componentes de cada módulo, o encapsulamento proposto para protegê-lo contra fenômenos da natureza e o código utilizado no módulo MCLB.
O módulo foi desenvolvido com o intuito de fornecer informações sobre a localização, carga atual da bateria e simular o bloqueio e desbloqueio da bicicleta.
Cada módulo é composto pelos componentes dispostos na Tabela 3.
Tabela 3 - Lista de componentes e suas quantidades
Quantidade Descrição
1 NodeMCU v3 - Lolin
1 Placa base de expansão para NodeMCU – Lolin
1 Módulo GPS com antena
1 Módulo relé
Fonte: Autoria própria.
Por meio da Figura 2, observa-se a proposta para o esquema elétrico entre a placa NodeMCU, o módulo GPS com antena, o módulo relé e a bateria de 9 volts.
Figura 2 - Esquema Elétrico do MCLB
Fonte: Autoria própria.
Através da Figura 3, é possível observar a montagem destes componentes em um módulo operacional. A comunicação entre a placa NodeMCU e o módulo GPS é realizado via comunicação serial, através dos pinos RX e TX da placa GPS, e os pinos D1 e D2 da placa NodeMCU. O módulo relé se comunica com o NodeMCU, através de seu pino IN do pino D4 do NodeMCU.
Na Figura 3 temos a imagem da construção real de um MCLB e a identificação de cada componente, de acordo com a relação:
A - Bateria de 9V;
B - Antena do módulo GPS; C - Sensor GPS;
D - Placa base de expansão e NodeMCU; E - Módulo relé.
Figura 3 - Módulo de Controle e Localização da Bicicleta - MCLB
Fonte: Autoria própria.
Adicionalmente, foi desenvolvido o projeto do encapsulamento, respeitando as dimensões de cada um dos componentes, além das interconexões. O encapsulamento é de extrema importância devido a operação das bicicletas ser em ambiente externo, estando sujeitos as variações do clima.
Na figura 4 temos o projeto em 3D com a identificação através das letras A, B, C, D e E dos componentes.
Figura 4 - Encapsulamento do MCLB
Fonte: Autoria própria.
As furações feitas no encapsulamento coincidem com as furações existentes nas placas dos módulos, e a posição das placas C, D e E foram projetadas de forma mais elevada para que fosse possível sua fixação pela parte inferior do encapsulamento.
D A
B
C
Utilizando uma imagem da bicicleta Gioia, foi destacado na Figura 5 o local onde seria fixado o encapsulamento do MCLB através de presilhas de velcro.
Figura 5 - Local de fixação do MCLB na bicicleta Gioia
Fonte: Autoria própria.
4.3 Diagrama Entidade Relacionamento (DER)
Nesta seção será apresentado o DER elaborado para a plataforma Smart Bike, demonstrando a importância de sua elaboração, bem como, o que são as entidades que compõem o banco de dados, além de explicar sobre o relacionamento entre as elas.
O DER descreve o processo do projeto, fornecendo uma visão lógica do banco de dados e informações sobre o relacionamento entre as entidades da plataforma elaborada.
As entidades descritas a seguir foram identificadas após a análise dos requisitos. Sendo elas: Usuario, Corrida, Bicicleta e Permissao.
A Figura 6 apresenta o relacionamento existente entre as entidades. Sendo eles relacionamentos do tipo 1..N ou N..1 (um para muitos ou muitos para um), ou seja, uma entidade que se relaciona com várias ocorrências de outra entidade, aspecto N do relacionamento, porém, cada uma das várias ocorrências referenciadas só pode estar ligadas a apenas uma entidade, aspecto 1 do relacionamento.
Partindo deste raciocínio, um usuário pode ter várias corridas, porém cada corrida só pode estar associada a um usuário específico.
Figura 6 - DER da plataforma Smart Bike
Fonte: Autoria própria.
Com a criação do DER, foi possível a visualização do formato dos dados necessários ao desenvolvimento do projeto e como se interagem. O mapeamento das entidades é um documento básico e necessário que traz clareza na manipulação dos dados.
4.4 API Smart Bike
Nessa seção será apresentada a API desenvolvida para a plataforma Smart Bike, sua importância para o projeto, além de seus métodos e da sua documentação.
A API é um conjunto de padrões de programação para a construção de aplicativos. É uma interface que roda por trás de uma aplicação e interliga diversas funções de modo a possibilitar que possam ser utilizadas em outras plataformas.
A API Smart Bike foi desenvolvida para gerenciar as requisições do aplicativo móvel e
dashboard, buscando as informações no Helix Sandbox NG e no banco de dados, devolvendo-as de
uma forma rápida e simples. Ela possui os métodos de criação e autenticação do usuário, obtenção da geolocalização das bicicletas, verificação do status da corrida do usuário, bloqueio e liberação das bicicletas, obtenção do histórico de corrida de cada usuário, listagem de todos os usuários, de todas as corridas, de todas as bicicletas utilizadas, bem como a listagem dos dados de uma bicicleta ao longo do tempo e também por um período especifico.
Seu detalhamento especificado na documentação está disponibilizado na plataforma online Swagger.
A API deu a liberdade para que as outras aplicações focassem apenas em implementar suas funcionalidades, restando toda a parte de comunicação com o back-end para ela.
4.5. Aplicativo Móvel Smart Bike
Nessa seção será apresentado o aplicativo móvel desenvolvido para a plataforma Smart Bike, explicando a importância da sua criação para o projeto, demonstrando seu design e suas funcionalidades.
O aplicativo móvel foi idealizado para facilitar o encontro e desbloqueio das bicicletas ao usuário, sendo sua tela inicial de login (Figura 7, tela A), autenticando-o para que possa usufruir do sistema.
Figura 7 - Telas de login e tela do mapa com as bicicletas
Fonte: Autoria própria.
Após o usuário ser autenticado, ele é enviado para a tela principal (Figura 7, tela B), mostrando o mapa contendo as bicicletas próximas a ele, além de conter a informação do clima e o botão para desbloqueio das bicicletas, localizado no canto inferior esquerdo.
Caso o usuário deseje desbloquear a bicicleta, deve-se pressionar sobre o ícone de scanner e a câmera do dispositivo móvel será ativada para leitura do QR Code, depois de sua leitura, uma tela com as informações da bicicleta é aberta (Figura 8, tela A), mostrando seu modelo e fabricante, bem como sua velocidade máxima e nível de bateria. Caso o usuário deseje utilizar essa bicicleta, deve pressionar sobre o ícone de desbloqueio no canto inferior direito.
Figura 8 - Telas com as informações da bicicleta e tela com histórico de corrida do usuário
Fonte: Autoria própria.
Após o desbloqueio, o aplicativo retornará para a tela principal recebendo uma notificação de agradecimento pelo uso, ocorrendo uma pequena mudança no ícone de desbloqueio, que passa a ser representado por um cadeado fechado, simbolizando a opção de bloqueio da bicicleta, o que permite ao usuário encerar a corrida, caso pressionada, conforme ilustra a Figura 8, tela B.
O aplicativo também possui um menu lateral (Figura 9, tela A), sendo facilmente acessado por qualquer uma das telas, localizado no canto superior esquerdo.
Figura 9 - Telas de desbloqueio e histórico de corrida do aplicativo móvel
Fonte: Autoria própria.
O menu lateral possui 6 botões que auxiliam o usuário ao utilizar o aplicativo, sendo o primeiro botão denominado “Nova Corrida”, possuindo a função de ligar a câmera para leitura do QR Code para o desbloqueio de alguma bicicleta. O segundo botão, “Meu perfil”, levará o usuário para uma tela que irá informar sobre seus dados cadastrados no sistema Smart Bike. O terceiro botão, chamado de “Histórico de corrida”, transfere o usuário para uma tela que demonstra as últimas corridas que ele realizou, ilustrada pela Figura 9, tela B. A quarta opção que possui o nome de “Encontrar bicicletas”, transporta o usuário para a tela principal, mostrando as bicicletas próximas dele no mapa. Os dois últimos botões do menu são o botão da tela “Sobre”, que informa qual a funcionalidade do APP e quem foram seus desenvolvedores, enquanto o outro botão de “Sair”, desconecta o usuário do aplicativo.
O desenvolvimento do aplicativo possibilitou a capacidade de testar se a estrutura do projeto funcionaria, pois foi possível verificar desde uma chamada de requisição para API até a busca das informações fornecidas pelo MCLB.
4.6 Dashboard de Controle da Plataforma Smart Bike
Nessa seção será apresentado o dashboard e suas funcionalidades de visualização de dados do projeto.
O dashboard é uma plataforma online responsável por mostrar dados gerais e específicos acerca do banco de dados do projeto. Foi desenvolvido buscando atender os requisitos levantados na
metodologia, possuindo um sistema de autenticação, interface para cadastramento de novos usuários e visualização de dados para análises gerais do projeto.
Para ilustrar os resultados, as páginas essenciais do dashboard foram documentadas. Na Figura 10, observa-se a página de login para autenticação do acesso ao dashboard, que foi feita utilizando token AWS, garantindo o princípio de segurança quando o usuário colocar suas credenciais.
Figura 10 - Tela de login do dashboard
Fonte: Autoria própria.
Na página principal do dashboard estão dispostas as informações gerais referentes aos dados, como mostra a Figura 11. Os grupos de informações mostram o total de usuários cadastrados, quantidade de corridas realizadas, as bicicletas disponíveis no momento e um mapa que exibe a localização dos devices. Essa página conta ainda com um gráfico de corridas em relação ao tempo de utilização da plataforma.
Figura 11 - Tela principal do Dashboard de Controle da plataforma Smart Bike
Fonte: Autoria própria.
O histórico de corridas é um recurso muito importante para a análise da utilização das bicicletas controladas pela plataforma, uma das telas de exibição pode ser visualizada na Figura 12. O objetivo desta tela é de forma organizada mostrar a lista de bicicletas ativas atualmente e suas informações tais como: nível de bateria, peso da bicicleta, situação da mesma (bloqueada ou desbloqueada), peso máximo e velocidade atual. O histórico detalhado de cada bicicleta apresenta todas as corridas realizadas por ela, mostrando o nome do usuário que a utilizou e quando se deu início a uma corrida, além de exibir a duração e o momento de bloqueio da bicicleta.
Figura 12 - Tela de histórico de corrida dos usuários do Dashboard de Controle
Fonte: Autoria própria.
Nessa seção foi possível observar os detalhes das corridas e de seus usuários, permitindo ter uma visão tanto generalizada sobre o engajamento do usuário com as bicicletas, como também uma visão detalhada do aspecto da corrida. A produção desse dashboard demonstra de forma prática como os dados armazenados pelo Helix Sandbox NG podem ser trabalhados e transformados em informações importantes para um negócio.
A seguir será apresentada a análise dos resultados.
4.7 Análise dos Resultados
Nessa seção será abordada a forma como os módulos foram desenvolvidos, a sua prototipagem e forma de testagem. Será exposto também os requisitos implementados e como os resultados foram atingidos.
Para o desenvolvimento proposto, foram inicialmente realizados análise de requisitos do aplicativo móvel e da plataforma de gerenciamento, ou dashboard, mencionado na metodologia. Após isso, foi realizado teste no campus do CEFSA para verificar se o campus se enquadrava nos requisitos necessários para implantação da plataforma.
Foi realizado um levantamento das possíveis rotas das bicicletas e o mapeamento dos níveis de sinal da rede Wi-Fi utilizando um smartphone e um software especializado, o WiFi Analyzer (open-source) da desenvolvedora VREM Software Development, para verificar a conectividade com a rede Wi-Fi em todo o percurso.
A Figura 13 apresenta o mapa do CEFSA fornecido pelo Google Maps para identificação das vias através da análise por geolocalização. Os testes foram realizados na frequência de 2.4GHz da rede Wi-Fi da instituição, onde a cor verde representa os locais com conectividade. Os trechos em vermelho representam as regiões onde não foi possível realizar a conexão com à rede da instituição.
Figura 13 - Mapeamento de Internet na rota da Smart Bike dentro do CEFSA
Fonte: Autoria própria.
Após o mapeamento, foi possível concluir que para o pleno uso da solução seria necessário que a instituição realizasse uma adequação da rede sem fio para possibilitar o uso da plataforma Smart Bike no campus, uma vez que não é possível enviar os dados dos sensores durante os trechos em vermelho da rota mapeada.
Depois dos testes realizados, foi verificado qual modelo de bicicleta seria utilizada para os testes do MCLB, em seguida levantado os componentes necessários para criação e seu encapsulamento, respeitando as dimensões dos componentes e o local onde seria fixado na bicicleta, sendo demonstrado todo passo a passo na seção 4.2. A seguir, foram realizados testes iniciais de avaliação do MCLB, que foram efetuados com duas bibliotecas, sendo elas TinyGPS e TinyGPSPlus, que obtiveram resultados distintos. Enquanto a TinyGPSPlus fornecia as informações de Latitude, Longitude, Velocidade, Altitude entre outras com uma boa precisão, utilizando o TinyGPS foi observado falta de precisão dos dados, além de quedas constantes do sinal GPS.
Após a escolha da melhor biblioteca, foi implementado o Helix Sandbox NG, que realiza a obtenção dos dados do device e a realização do envio dos dados para o CEF Context Broker. Foram realizados testes entre o device e a plataforma de back-end para verificar o funcionamento dos sensores e armazenamento dos dados na plataforma. Também foi montado um segundo device com as mesmas configurações.
Visando uma maior compreensão do projeto, foi elaborado uma arquitetura da solução, sendo apresentada na seção 4.1. Também foi estruturado o DER do banco de dados do projeto, sendo evidenciado na seção 4.3, com base nesse diagrama, foi elaborado a implementação no MongoDB, sendo desenvolvida para comunicação entre o front-end e o back-end uma API.
O desenvolvimento da API foi dividido em três fases:
Fase I – Desenvolvimento dos métodos de autenticação de usuário, obtenção da geolocalização das bicicletas e bloqueio e desbloqueio delas;
Fase II – Desenvolvimento dos métodos de verificação se o usuário está em uma corrida, além da obtenção do histórico de corrida de um usuário;
Fase III – Desenvolvimento dos métodos de criação de novos usuários, listagem de todos os usuários, listagem de todas as bicicletas, listagem de todas as corridas e listagem dos dados de uma bicicleta ao longo do tempo, possuindo um filtro por um período específico.
Enquanto a API era desenvolvida, foram preparadas as telas do aplicativo móvel. Inicialmente foram criadas 4 telas, sendo a primeira a tela de login, conforme é mostrada na Figura 14, tela A.
Seguido da tela principal do aplicativo (Figura 14, tela B), sendo a tela que mostra as bicicletas próximas do usuário. Na figura 15, tela A, é demonstrado a mensagem de desbloqueio da bicicleta, enquanto a figura 15, tela B, é exibido a mensagem de término da corrida.
Figura 15 - Protótipo de telas início e término da corrida no aplicativo móvel
Fonte: Autoria própria.
Depois da prototipagem, deu-se início o desenvolvimento do aplicativo móvel, sendo realizado a publicação da API, com a fase I completa, no Azure, atendendo o básico do aplicativo. Foram realizados testes de sanidade, verificando se o aplicativo atendia aos requisitos básicos do sistema, realizando o mesmo teste após a implementação da fase II da API, sendo atendidas todas as funcionalidades levantadas na metodologia, demonstrado seu estado final na seção 4.5.
O dashboard foi criado após a implementação da fase III da API, sendo integrado para conseguir realizar as funcionalidades da plataforma de gerenciamento mencionadas na metodologia, realizando testes de sanidade para comprovar seu funcionamento evidenciado na seção 4.6.
5 Considerações Finais
Este trabalho teve o intuito de verificar a viabilidade do desenvolvimento de um sistema de gerenciamento, através de uma página web para monitorar e rastrear as Smart Bikes em um Smart
Campus, ambiente fechado, utilizando as linhas de pesquisa de IoT e computação em nuvem e um
aplicativo móvel para o manuseio da Smart Bike por parte do usuário.
Um dos principais objetivos da proposta era gerar um módulo de controle e localização da bicicleta (MCLB), um aplicativo móvel e uma plataforma de gerenciamento. Enquanto o MCLB comunicava-se diretamente com o Helix Sandbox NG, enviando dados das bicicletas, o aplicativo móvel e o dashboard comunicavam-se com a API, e sendo realizadas as requisições necessárias para o Helix para alimentar tanto o dashboard, quanto o aplicativo, retirando dessa forma a necessidade de módulos de comunicação com o Helix Sandbox NG no front-end, reduzindo a complexidade do sistema.
Através da análise de resultados, podemos verificar que todos os objetivos propostos para esta plataforma foram atingidos, uma vez que as integrações entre os módulos estão funcionais e a plataforma cumpre com o seu objetivo que é o monitoramento das Smart Bikes, dentro das limitações encontradas ao longo do projeto.
Ao longo desta pesquisa, nos deparamos com algumas limitações de projeto. Foi constatado que, dependendo das condições climáticas em que é utilizado o módulo GPS, ou seja, dependendo de como estiver o céu, nublado ou chovendo, por exemplo, o módulo não consegue sincronizar com os satélites, inviabilizando sua utilização.
Devido à atual questão do COVID-19, que tem abrangência mundial, não foi possível realizar a obtenção de valores reais do nível da bateria na bicicleta teste. Além da falta do módulo de corrente, sendo utilizados valores fixos no código.
Também não foi possível realizar a impressão do encapsulamento do MCLB e realizar os testes de encaixe dos componentes no encapsulamento idealizado, bem como sua fixação na bicicleta Gioia fornecida pela CEFSA.
Como visto nos resultados, o protótipo foi construído com o módulo relé simulando o bloqueio e desbloqueio da bicicleta. Como evolução, sugere-se utilizar um locker conectado ao relé, porém indica-se a alteração do módulo NodeMCU ESP8266 pelo módulo NodeMCU ESP32 com Wi-Fi e
bluetooth integrados, principalmente para que a comunicação com o locker não seja intrusiva.
Outra sugestão para estudos futuros, seria alimentar o MCLB diretamente pela bateria da bicicleta, evitando a realização da troca da bateria do módulo, pois enquanto houver energia na mesma, o MCLB continuaria enviando os dados sem a necessidade de ser recarregado. Além disso, seria desejável realizar a implementação de um sistema de atualização de firmware por meio da nuvem, possibilitando sua atualização sem a necessidade do recolhimento das bicicletas espalhadas pelo campus, podendo ser atualizado pela internet.
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