Projeto conceitual eletrônico de um robô móvel para aplicações agrícolas

DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias

Curso de Engenharia Mecânica - Câmpus Panambi

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

TIAGO BUCHWEITZ KLUG

PROJETO CONCEITUAL ELETRÔNICO DE UM ROBÔ MÓVEL

PARA APLICAÇÕES AGRÍCOLAS

Panambi - RS, BRASIL Junho de 2016

TIAGO BUCHWEITZ KLUG

PROJETO CONCEITUAL ELETRÔNICO DE UM ROBÔ MÓVEL

PARA APLICAÇÕES AGRÍCOLAS

Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Mecânica apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

Orientador: Prof. Me. Olavo Luiz Kleveston Avaliador: Prof. Cristiano Rafael Lopes

Panambi - RS, BRASIL Junho de 2016

UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO

RIO GRANDE DO SUL - UNIJUÍ

DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias

Curso de Engenharia Mecânica - Câmpus Panambi

A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova o trabalho de conclusão de curso.

PROJETO CONCEITUAL ELETRÔNICO DE UM ROBÔ MÓVEL

PARA APLICAÇÕES AGRÍCOLAS

Elaborado por

TIAGO BUCHWEITZ KLUG

Como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

Comissão Examinadora:

______________________________________________________________ Orientador: Prof. Me. Olavo Luiz Kleveston (UNIJUÍ-RS)

______________________________________________________________ Avaliador: Prof. Cristiano Rafael Lopes (UNIJUÍ-RS)

Panambi - RS, BRASIL Junho de 2016

Dedico este trabalho A Deus, Aos meus pais e avós, Às minhas irmãs e, A todos aqueles que me apoiaram nesta caminhada.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, que senti tão presente em momentos adversos e que pareciam sem saída,

Agradeço aos meus pais, Arnildo e Melânia, por me inserirem no estudo e fazerem disso prioridade incondicional, apesar de inúmeras dificuldades ao longo do tempo,

Agradeço às minhas irmãs Marlise e Andrise que, mais do que muitos momentos de felicidade, chimarrões, conversas, sorrisos e saudade, as tenho sempre ao meu lado,

Agradeço aos meus avós Vanda, Bruno e Elda por sempre desejarem a minha visita,

Agradeço à Taís e ao Willer, que possibilitaram as minhas idas à faculdade, Agradeço aos colegas de trabalho Valdir, John, Rui, Calisto, Luciano e Josemar,

Agradeço aos meus professores e faculdades pelas quais passei e, Por fim, à minha namorada Stefani, pelo incentivo e companheirismo.

“Dê-me uma alavanca e um ponto de apoio e levantarei o mundo!” (Arquimedes)

RESUMO

A aplicação da tecnologia na agricultura de precisão ainda tem um custo muito elevado em diversos tipos de cultivo e, portanto, mais utilizada em culturas anuais como milho e soja. Em pequenas áreas, típica de alguns sistemas de produção de frutas, onde existe variabilidade espacial, há oportunidade para o uso das técnicas de agricultura de precisão. Neste trabalho de conclusão de curso foi projetada uma alternativa de baixo custo para aquisição de dados, aplicável na agricultura de precisão. Trata-se de um robô móvel elétrico, conduzido de forma autônoma com auxílio de magnetômetro e GPS que tem a função de coletar imagens ou até mesmo permitir a coleta de solo ou plantas. O projeto foi realizado utilizando-se de plataforma de prototipagem eletrônica com hardware e software livre, chamada Arduino. Juntamente a esta plataforma inclui-se o número de dispositivos necessários para desempenhar as tarefas desejadas. A forma de programação no Arduino se dá através de um computador comum com porta USB disponível.

ABSTRACT

The application of technology in precision farming still has a very high cost for many types of crops, and therefore most widely used in annual crops such as corn and soybeans. In small areas, typical of some fruit production systems, where there is spatial variability, there is opportunity for the use of precision farming techniques. In this study it has been designed a low cost alternative for data acquisition, applicable in precision agriculture. It is an electric mobile robot, conducted autonomously with magnetometer and GPS which have the function of collecting images or even allowing collection of soil or plants. The project was carried out by using electronic prototyping platform with free hardware and software, called Arduino. This platform includes the number of devices needed to perform the desired tasks. The way of programming the Arduino is via a common computer with USB port.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Arquitetura de um Sistema de Informação Geográfico ... 20

Figura 2 – Ambiente de programação ... 25

Figura 3 – Arduino versão Mega ... 26

Figura 4 – Pinagem do microcontrolador ATmega2560 ... 28

Figura 5 – Módulo GPS GY-NEO6MV2 ... 29

Figura 6 – Exemplo de bloco de dados recebidos pelo módulo GPS ... 31

Figura 7 – Módulo magnetômetro ... 32

Figura 8 – Desvio entre as coordenadas magnéticas e geográficas. ... 32

Figura 9 – Sensor ultrassônico ... 33

Figura 10 – Dimensões e campo visual do sensor ultrassônico ... 34

Figura 11 – Ponte H para controle de motores ... 34

Figura 12 – Módulo L298N (Driver Ponte H para motores) ... 35

Figura 13 – Conversor DC-DC ... 36

Figura 14 – Shield Mini SD-Card ... 36

Figura 15 – Módulo Bluetooth HC-05 ... 37

Figura 16 – Câmera VGA OV7670 ... 37

Figura 17 – Display de 2 linhas e 16 colunas ... 38

Figura 18 – Sensor de Intempérie ... 39

Figura 19 – Fluxograma básico ... 42

Figura 20 – Bibliotecas do Arduino ... 43

Figura 21 – Declaração de variáveis ... 44

Figura 22 – Fluxograma da configuração do sistema ... 45

Figura 23 – Fluxograma lógico de funcionamento do veículo ... 46

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Resumo das características básicas do Arduino Mega ... 29 Tabela 2 – Tabela aproximada de localização e declinação do norte magnético... 33 Tabela 3 – Módulos LCD disponíveis ... 38

LISTA DE SIGLAS

PWM Pulse Width Modulation: Modulação por Largura de Pulso

PC Personal Computer: Computador Pessoal

USB Universal Serial Bus: Barramento Serial Universal

DC Direct Current: Corrente Contínua

GPS Global Position System: Sistema de Posicionamento Global

TX Transmitter: Canal de Transmissão de Dados

RX Receiver: Canal de Recepção de Dados

VCC Voltage Continuous Current: Tensão Contínua Positiva

GND Ground: Tensão Contínua Negativa

bps bits por segundo

Hz Hertz: unidade de frequência MHz Mega Hertz: unidade de frequência

m/s Metros por segundo

dBm Decibéis mili

NMEA National Marine Electronics Association

SDA Serial Data: Dados Seriais

SCL Serial Clock: Relógio Serial

DRDY Data Ready: Dados prontos para leitura

VGA Video Graphics Array: Arranjo Gráfico de Vídeo SD-Card Secure Digital Card: Cartão de memória não volátil Shield Placa eletrônica de expansão

PIB Produto Interno Bruto AP Agricultura de precisão

SIG Sistema de Informações Geográficas

LCD Liquid Cristal Display: Display de Cristal Líquido

pH Potencial Hidrogeniônico

A/H Ampéres Hora

SUMÁRIO

2.1.1Histórico no Brasil e no Mundo ... 18

2.2 Agricultura de Precisão ... 18

2.2.1Agricultura de Precisão no Brasil ... 18

2.2.2Tecnologias da Agricultura de Precisão ... 20

2.2.2.1 Sistema de Informações Geográficas - SIG ... 20

2.2.2.2 Sistema de Posicionamento Global - GPS ... 21

2.3 Robôs Para Agricultura ... 21

2.3.1A Evolução da Tecnologia ... 21

2.3.2Tipos de Robôs, Estado da Arte ... 22

2.4 Análise e Coleta de Amostras ... 22

3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO DO PROTÓTIPO ... 24

3.1 Necessidades Intrínsecas ... 24

3.2 Ambiente de Programação do Arduino ... 25

3.3 Hardware Empregado ... 25

3.3.1Arduino ... 26

3.3.2GY-NEO6MV2 – Módulo GPS ... 29

3.3.3HMC5883L – Módulo Magnetômetro ... 31

3.3.5L298N – Controle dos Motores ... 34

3.3.6Conversor DC-DC ... 35

3.3.7Shield mini SD-Card ... 36

3.3.8Módulo Bluetooth HC-05 ... 37

3.3.9Câmera VGA OV7670 ... 37

3.3.10 Display LCD ... 38

3.3.11 Sensor de Chuva ... 39

3.4 Modelo de Veículo ... 39

3.5 Dificuldades de Execução da Tarefa Programada ... 40

3.6 Exemplos de Aplicação ... 41 3.7 Utilização do Veículo ... 41 3.8 Fluxogramas Lógicos ... 42 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 48 5 TRABALHOS FUTUROS ... 49 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 50

ANEXO A – Sugestão de Veículo que Pode Ser Utilizado no Projeto ... 56

ANEXO B – Tabela de Custos do Projeto ... 57

ANEXO C – Disposição Construtiva do Circuito Eletrônico ... 58

1 INTRODUÇÃO

Após a primeira revolução industrial, as máquinas desenvolveram-se exponencialmente quando comparado com o ritmo da evolução humana ao longo da história. Em apenas dois séculos, as máquinas passaram a estar presente no trabalho, casa, lazer. Assim, pode-se dizer que as máquinas são parte vital ddas vidas humanas. A robótica compreende tudo o que há de tecnologia, pois nela, tem-se diferentes áreas do conhecimento.

Há uma série de classificações para cada tipo de robô. Neste relato, aborda-se um robô terrestre, com processamento eletrônico, autônomo, com aparência de um veículo que se movimenta por movimento relativo entre duas de suas rodas dianteiras, tracionadas individualmente.

Há robôs específicos para cada tipo de aplicação agrícola: na colheita de frutos, capina, poda, irrigação, monitoramento, aragem, pulverização e tosquia de ovelhas, todos projetados para substituir o trabalho humano. A agroindústria está defasada no uso de robôs em suas atividades, comparada à indústria, onde o uso dos robôs é feito em todos os estágios produtivos. O maior dos desafios é tornar um robô preciso na execução de uma determinada tarefa específica.

No presente trabalho, desenvolveu-se uma alternativa de baixo custo, capaz de realizar a coleta de dados de uma produção, em tempo integral, de forma autônoma. Com os dados coletados é possível a criação de mapas de qualidade e fertilidade do solo e também das plantas, identificar a presença de pragas e acompanhar o crescimento das plantas.

1.1 Objetivo Geral

O objetivo principal é o desenvolvimento de um robô móvel elétrico robusto, com células fotovoltaicas para aplicações agrícolas diversas, como por exemplo, a coleta de imagens ou de solo para análise de informações.

Pretende-se demonstrar ser uma solução de baixo custo, comparada às enormes máquinas colhedoras e plantadoras que já possuem alguma solução relacionada à análise do solo ou do próprio produto cultivado. Os custos de aquisição para as funções básicas encontra-se na lista de anexos.

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1.2 Objetivo Específico

Partindo do objetivo geral, citam-se objetivos secundários:

- Efetuar uma revisão bibliográfica a respeito dos itens relacionados ao tema principal deste trabalho e também aos demais relacionados e necessários ao objetivo principal como o circuito eletrônico, lógica de programação e modelo de veículo sugerido;

- Demonstrar o estado da arte relacionado ao tema, para buscar uma solução mais dinâmica e robusta para aplicação na agricultura;

- Analisar componentes para projeto do robô, selecionando os adequados para as tarefas que serão executadas e descrevendo alguns que podem ser incluídos, dependendo da função específica designada ou da necessidade de adaptação para outra finalidade;

- Executar o desenvolvimento da solução do robô descrito, buscando uma alternativa eficiente e de baixo custo, que possa desempenhar a função desejada de forma eficiente e com pouca manutenção.

1.3 Justificativa

Este trabalho justifica-se pela grande amplitude da agricultura mundial e o desenvolvimento da tecnologia neste área, buscando ir de encontro a sua robotização e automação, tão presentes na maioria das tecnologias atuais implementadas na agricultura de precisão. É uma área com grande necessidade de inovações e ainda pouco explorada, o que permite um grande aproveitamento de soluções inovadoras para o auxílio na produção.

Ainda há um custo elevado da soluções atuais, na execução das tarefas da agricultura de precisão devido principalmente a dificuldade de operação dos equipamentos, por possuírem um avançado nível de interface homem-máquina. Este projeto propõe satisfazer as necessidades de análise da produção e integrar-se aos equipamentos da agricultura de precisão, permitindo a aplicação de sementes insumos à taxa variável e mais econômica.

No que diz respeito especificamente à coleta de amostras, existem equipamentos que realizam esta tarefa durante o período de plantio e também no de

colheita. Não se tem notícia de algum robô que faça essa função específica durante período integral de tempo.

1.4 Metodologia

Para o desenvolvimento inicial do projeto do protótipo realizou-se uma pesquisa bibliográfica, o tipo de hardware que poderia ser implementado no mesmo, sempre buscando uma fácil aquisição, além de possuir todas as funcionalidades desejadas e facilmente programável.

Procuraram-se os dispositivos adequados aos recursos do projeto para que a aplicação tenha suas necessidades básicas atendidas. De posse dos dispositivos selecionados, a etapa seguinte foi de criação da lógica a ser inserida no microcontrolador, considerando todas as variáveis e grandezas a serem controladas, que poderiam ocorrer durante a execução das tarefas programadas.

No desenvolvimento da lógica, verificou-se o funcionamento dos dispositivos adquiridos, primeiramente, e pôde-se identificar diversas variáveis que devem ser controladas durante o processo de execução da tarefa proposta.

Para o projeto proposto há uma série de possibilidades e funções que podem ser agregadas na coleta de dados. As medições de pluviosidade, temperatura, umidade relativa, dentre outros, são exemplos de informações que podem ser incluídas em cada coleta de amostra.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Agricultura

2.1.1 Histórico no Brasil e no Mundo

A atividade agrícola de produção de plantas e animais numa área, com objetivo de alimentar uma família, ou comunidade, data de dez mil anos antes de Cristo. As primeiras práticas de plantio sem preparo de solo, uso de ferramentas para cultivo da terra e o uso do fogo para limpeza de áreas caracterizam a formação dos primeiros conglomerados na pré-história. Daquela época até hoje, a agricultura se espalhou pelo mundo inteiro. A produção passou por modificações genéticas que permitiram sua adaptação a diferentes ambientes, sem perdas drásticas de produtividade. O desenvolvimento de técnicas de produção e do seu conhecimento permitem o aumento de produtividade, em escala global (ASSAD; ALMEIDA, 2004).

O Brasil tem sua história marcada pela agricultura. Desde o século XVI, quando o Brasil colônia era exportador de pau-brasil, até os dias de hoje, a riqueza do país se apóia em produtos primários e responsáveis por grande parte do PIB. Se considerarmos as barreiras não-tarifárias do comércio internacional, as medidas protecionistas e os subsídios para o setor, praticados pelos países ricos, verifica-se que a importância da agricultura brasileira é muito grande, pois ela contribui, em diversas culturas, como grande exportador mundial devido à menor burocracia na exportação. Atualmente, um grande desafio para o agricultor-produtor de alimentos é entender que não basta produzir. É necessário considerar toda a cadeia que leva o produto ao consumidor e isto exige profissionalização da atividade agrícola. Consumidores dos países industrializados, importadores de produtos primários de países como o Brasil, exigem uma variedade cada vez maior de critérios de qualidade antes de comprar alimentos (ASSAD; ALMEIDA, 2004).

2.2 Agricultura de Precisão

2.2.1 Agricultura de Precisão no Brasil

O uso indiscriminado dos recursos naturais tem causado a redução da capacidade agrícola e danos ambientais. A agricultura de precisão é o principal

mecanismo, na produção agrícola, para um uso racional e otimizado dos recursos naturais. Os desafios são maiores e preocupantes com questões de sustentabilidade da produção e conservação do ambiente, como: o uso correto da água; a manutenção da fertilidade do solo; o controle das pragas e doenças que afetam as plantas e os rebanhos, entre outros (MORGENSTERN; ALVES; MARAN, 2014, p. 01).

É necessário o uso de ferramentas que auxiliem no processo de transformar dados em informações úteis para a tomada de decisão. Um dos fatores para alcançar o acréscimo de qualidade e produtividade agrícola é aplicação de insumos de forma precisa na preparação do solo visando o plantio, com o um solo com atributos homogêneos, às necessidades da cultura nele cultivada (MORGENSTERN; ALVES; MARAN, 2014, p. 01).

A adoção e pesquisa da agricultura de precisão no Brasil ocorreu a partir da metade da década de 1990, basicamente com a difusão dos equipamentos de GPS e devido ao desenvolvimento de diversos equipamentos, dispositivos e programas computacionais voltados à obtenção e processamento de dados georeferenciados. No início deste século, a fabricação de colhedoras equipadas com GPS e sensores de produtividade (monitor de colheita), aumentou a expectativa de difusão da agricultura de precisão. A dificuldade inicial destes equipamentos era o uso e monitoramento dos computadores presentes neles. Aproveitando-se desta situação, estabeleceram-se diversas empresas prestadoras de serviços com o propósito de monitorar todo o processo de produção, deste o preparo do solo até a colheita, através da análise dos dados mapeados (RESENDE; et al, s.d.).

Houve avanço significativo ao se conseguir traduzir as informações do diagnóstico do solo para se realizar uma intervenção diferenciada por área. Ao se vincular espacialmente as quantidades de insumos aplicadas, ao estado de fertilidade ou à capacidade produtiva de diferentes partes de uma lavoura, otimiza-se o potencial de rendimento físico e o retorno econômico daquela área, diminuindo o risco ambiental. A agricultura de precisão em manejo do solo no Brasil ainda está restrita às análises e aplicações de insumos a taxa variável, sem posterior aferição crítica das respostas das culturas e das alterações em atributos do solo (RESENDE;

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2.2.2 Tecnologias da Agricultura de Precisão 2.2.2.1 Sistema de Informações Geográficas - SIG

O SIG tem como funções o armazenamento e o processamento de um banco de dados, de onde são analisados um conjunto de informações. Os sistemas que compõem o SIG quanto aos dados são divididos em sistemas de entrada de dados, armazenamento, análise e saída de dados (RIA; et al, 2015).

Um SIG mantém várias bases de dados distintas e permite coletar informações comuns entre elas, formando uma base de dados única, que permite auxiliar sobre a localização, a condição e as tendências de algum fenômeno conforme Figura 1 (CIANCI, 2006).

Figura 1 – Arquitetura de um Sistema de Informação Geográfico

Fonte: USP, 2016

O maior benefício da utilização de um SIG na agricultura de precisão consiste em possibilitar a integração de informações espaciais, devidamente analisadas, apresentando mapas e gráficos de qualidades específicos para cada necessidade de decisão e análise.

2.2.2.2 Sistema de Posicionamento Global - GPS

O GPS é um sistema projetado para fornecer o posicionamento instantâneo, bem como a velocidade de um ponto sobre a superfície da Terra ou próximo a ela. Começou a ser utilizado na agricultura em 1984 na Dinamarca e hoje são 24 satélites em órbita repassando informações que são usadas pelos produtores. O posicionamento por meio do GPS baseia-se na triangulação a partir de satélites, é utilizado em atividades que demandam posicionamento associadas às investigações georreferenciadas e intervenções localizadas, as quais visam ao máximo aproveitamento dos recursos e insumos e minimização de efeitos indesejáveis ao ambiente dando sustentação às técnicas da agricultura de precisão. O GPS também é utilizado como orientação e guia para veículos agrícolas, além de sensor de velocidade, dentre outros (RIA; et al, 2015).

2.3 Robôs Para Agricultura 2.3.1 A Evolução da Tecnologia

Devido à grande evolução da microeletrônica, sensores, computadores, telecomunicações, o avanço da tecnologia é constante e novas ferramentas continuam a ser desenvolvidas e testadas. No Brasil, os sistemas autônomos vem para suprir a carência de profissionais frente a demanda crescente, além de servir como laboratório para desenvolvimento de tecnologia nacional (TABILE; INAMASU; PORTO, s.d.).

Robôs móveis foram desenvolvidos e podem operar em diferentes ambientes, tais como no ar, na água e no espaço externo. Existe um aumento contínuo no interesse de pesquisas sobre veículos terrestres não tripulados, especialmente para uso nas áreas militar, agrícola e transporte terrestre. Avanços nas áreas de tecnologias de sensoriamento tais como: GPS, capacidade computacional, miniaturização de eletrônica, algoritmos inteligentes para planejamento e controle, e também avanços nos projetos mecânicos, possibilitam realizar operações autônomas reais para aplicações usando veículos terrestres não tripulados. Dos desafios, tem-se: desenvolver uma estrutura física adequada ao ambiente agrícola e que atenda as necessidades da aplicação desejada; e desenvolver uma arquitetura eletrônica para integrar os diversos dispositivos presentes em sistemas como esses,

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bem como permitir sua expansão através da inserção de novos dispositivos (TABILE; INAMASU; PORTO, s.d.).

2.3.2 Tipos de Robôs, Estado da Arte

Os robôs podem ser classificados quanto ao seu sistema de controle de acordo com os seguintes aspectos: - Robôs de sequência fixa, funcionando independente das condições do ambiente. - Robôs de repetição com controle ponto a ponto: os controles de atuação são referenciados a cada ponto. - Robôs de repetição com controle de trajetória contínua: os pontos individuais são definidos pela unidade de controle e não pelo programador. - Robôs inteligentes: possuem capacidade apenas de repetir um ciclo de movimento programado, mas também interagir com seu ambiente de modo a parecer inteligente (BRAGA, 2014).

Os sistemas autônomos para veículos autônomos e robôs móveis agrícolas, encontrados atualmente, podem ser divididos em três estágios: percepção, computação e atuação. Atualmente destacam-se as soluções para navegação e guiagem autônomas de máquinas agrícolas, principalmente para tratores. Neste caso, se requer um controle mais preciso de posicionamento e de velocidade. A robótica tem buscado desenvolver sistemas inteligentes para permitir a tomada de decisões dos mesmos, ou seja, que possibilitam ao robô extrair informações do ambiente em que ele está imerso e utilizá-las na busca de soluções para execução de uma determinada tarefa programada (SOUZA, 2007).

Na agricultura existem vários tipos de robôs e a maioria deles possui funções específicas. Destacam-se alguns como: cortadores de relva, irrigadores, aplicação de defensivos agrícolas, estufa automatizada, ordenhadores, transportadores de carga, colhedores de frutas (SMYTHE, 2014).

Ainda citam-se o robô capinador, trator autônomo, transplantador de arroz dentre outros que não retratam uma atividade característica através do nome patenteado (TABILE, 2012).

2.4 Análise e Coleta de Amostras

Os solos possuem propriedades físicas e químicas que interagem entre si. Algumas dessas propriedades podem ser determinadas em campo mas, na maioria das vezes, devem ser processadas em laboratório. Para que se tenha uma análise

melhorada do solo, é necessária a coleta de amostras. Uma série de características do solo podem ser obtidas como carbono orgânico, nitrogênio total, pH, cloreto de potássio, fósforo, carbonato de sódio etc. A identificação dos componentes do solo e suas características é um processo complexo, pois há grande variedade de propriedades físicas e químicas, as quais dependem de métodos específicos, consomem tempo e são caros para serem determinadas. O desenvolvimento de métodos alternativos de baixo custo econômico e ambiental, combinados com precisão e acurácia, são altamente necessários (MACHADO, 2003).

A análise de dados por métodos matemáticos e estatísticos tem crescido com o avanço da tecnologia dos hardwares e softwares, resultando em uma enorme quantidade de informação. Os modernos instrumentos tem como característica importante o número de variáveis que podem ser medidas em uma única amostra (FERREIRA et al, 1999).

Para que uma imagem possa ser armazenada e/ou processada em um computador, torna-se necessária sua discretização tanto em nível de coordenadas espaciais quanto de valores de brilho. O armazenamento é um dos grandes desafios pois os sistemas de aquisição vêm sendo cada vez mais aprimorados para um volumes de dados cada vez maiores, e requer dispositivos com capacidades maiores de armazenamento, além de taxas de transferência de dados mais elevadas e maiores índices robustez e confiabilidade do processo (QUEIROZ, 2001).

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3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO DO PROTÓTIPO

Neste capítulo descrevem-se os dispositivos que compõem o sistema de controle baseando-se no microcontrolador Arduino, escolhido em função da facilidade de obtenção, baixo custo e de fácil programação. Ainda verifica-se que este microcontrolador está presente em inúmeras aplicações e muitas delas com um nível de automação bem elevado. A tabela de custos para a configuração básica encontra-se no ANEXO B.

Nesta fase, a de projeto conceitual, é estabelecida a estrutura funcional do protótipo; independente da solução que o mesmo terá, são formuladas as funções que o mesmo deve realizar de acordo com as especificações desejadas. Após a definição da estrutura funcional, verifica-se a concepção que o protótipo deverá ter partindo de pesquisa, seleção e combinação de princípios de solução, desenvolvimento de concepções e avaliação daquelas que melhor atendem às especificações. No ANEXO C tem-se uma sugestão de disposição construtiva para o circuito eletrônico que executará a função de controle do protótipo.

No ANEXO D verifica-se a associação do modelo de veículo proposto em conjunto com a disposição construtiva do circuito eletrônio e a bateria que pode fornecer a alimentação necessária ao mesmo.

3.1 Necessidades Intrínsecas

Como necessidades para o projeto, tem-se as seguintes:

- Possuir fonte de energia própria, com painel solar e bateria para acumulação;

- Ter mecanismo de coleta de amostras: uma câmera em caso de imagens ou um braço robótico quando for coleta de solo;

- Possuir módulo de posicionamento global GPS;

- Dispor de sensores de direção (magnetômetro), indicadores de obstáculos, dispositivo de controle de motores de tração para as rodas;

- Ter estrutura robusta em função de intempéries com proteção de seu próprio sistema, dentre outros.

3.2 Ambiente de Programação do Arduino

O software é executado em um computador onde é feita a programação, conhecida como sketch, na qual será feito upload para a placa de prototipagem Arduino, através de uma comunicação serial. O sketch feito pelo projetista dirá à placa o que deve ser executado durante o seu funcionamento. Na Figura 2, tem-se a interface visual de programação.

Figura 2 – Ambiente de programação

Fonte: Produção do autor

Para o desenvolvimento do software, utiliza-se a linguagem de programação C/C++. O Arduino ainda suporta outras linguagens como Java, Python, Visual Basic, etc...

O ambiente de programação pode ser baixado gratuitamente a partir do site oficial do Arduino (http://arduino.cc). Como verifica-se na Figura 2, trata-se de um editor de texto, com a área inferior para mensagens, um console para escrita, uma barra de ferramentas com botões para funções comuns e uma série de menus. 3.3 Hardware Empregado

Além do já referido Arduino, para o desenvolvimento do controle de navegação é necessária outra série de dispositivos que ajudam a fornecer todas as informações necessárias para controlar o sistema em todos os momentos. Abaixo

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são detalhados os dispositivos utilizados e outros que podem melhorar o seu funcionamento.

3.3.1 Arduino

O Arduino é uma plataforma eletrônica aberta, baseada em software e hardware flexível e fácil de usar. Baseia-se simplesmente em uma placa com um microcontrolador e uma série de pinos de entrada e saída, juntamente com um ambiente de desenvolvimento.

O seu sucesso é devido não só à sua simplicidade, mas também à sua natureza de código aberto, que não só permite que cada pessoa possa criar sua própria versão do Arduino como também é possível fazer qualquer projeto sem a necessidade de obter qualquer licença.

A versão mais básica é chamada Arduino Uno, mas para a realização desse projeto foi usado o Arduino Mega (conforme Figura 3), uma vez que possui mais recursos físicos como entradas digitais, portas de comunicação serial, memória randômica etc. Suas dimensões correspondem a 54x118x13 milímetros.

Figura 3 – Arduino versão Mega

Fonte: SIMAOSA, 2016

O Arduino Mega possui o microcontrolador ATmega2560, com 54 entradas/saídas digitais (das quais 15 proporcionam saída PWM), 16 entradas

analógicas, 4 portas de comunicação serial, processamento numa frequência de 16MHz, conexão USB, entrada de energia, conector ICSP e botão de reset.

Para entrar em modo de operação, basta conectar um cabo USB do Arduino a um PC ou utilizar uma fonte auxiliar de energia no conector apropriado da placa.

Fonte de Energia Elétrica:

Conforme mencionado anteriormente, a placa pode ser alimentada por conecção USB ou por outra fonte de alimentação. No projeto atual será utilizada uma bateria estacionária de 12 Volts com capacidade de corrente de até 20 AH. A placa pode trabalhar com uma tensão entre 7 e 12 Volts, portanto mantêm-se a tensão de entrada em um valor fixo neste intervalo, através de um conversor DC-DC.

Pinos de Entrada e Saída:

A placa Arduino Mega 2560 possui 54 pinos de entradas e saídas digitais que podem ser utilizadas como entrada ou saída conforme a necessidade de seu projeto. Os pinos operam com tensão de 5 Volts e podem fornecer uma corrente de até 40 mA. Alguns desse pinos possuem funções especiais como exibido a seguir:

Comunicação Serial: Serial: 0(RX) e 1(TX); Serial 1: 19(RX) e 18(TX); Serial 2: 17(RX) e 16(TX); Serial 3: 15(RX) e 14(TX). Os pinos 0 e 1 estão conectados aos pinos do ATmega16U2 responsável pela comunicação USB da placa.

Interrupções Externas: 2(interrupção 0), 3 (interrupção 1), 18 (interrupção 5), 19 (interrupção 4), 20 (interrupção 3), e 21 (interrupção 2). Estes pinos podem ser configurados para disparo de interrupção tanto na borda de subida ou descida do sinal digital, ou em níveis lógicos, alto e baixo.

PWM: os pinos 2 a 13 e 44 a 46 podem ser utilizados como saídas PWM. O sinal PWM possui oito bits de resolução.

Comunicação SPI: Pinos: 50(MISO), 51(MOSI), 52(SCK), 53(SS). Comunicação I2C: Pinos: 20 (SDA), 21 (SCL).

Ainda se verificam 16 entradas analógicas (pinos A0 a A15), onde pode ser feita a conversão do sinal medido em uma resolução de 10 bits, ou seja, o valor será convertido entre 0 e 1023. Por padrão o tensão de referência do sinal é relacionada com a tensão de 5 Volts, porém é possível mudar o valor de referência através do pino AREF.

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Na Figura 4 visualiza-se a pinagem do microcontrolador presente na placa do Arduino Mega.

Figura 4 – Pinagem do microcontrolador ATmega2560

Fonte: ARDUINO, 2016

Verifica-se através da Figura 4 uma série de possibilidades de projetos que podem ser realizados com a utilização do Arduino.

Este microcontrolador possui uma grande quantidade de pinos digitais e analógicos, permitindo a inclusão de diversos dispositivos simultaneamente. Outra característica importante desde componente é o seu baixo consumo de corrente enquanto está em operação e facilmente programável.

As suas características principais podem ser verificadas na Tabela 1.

Tabela 1 – Resumo das características básicas do Arduino Mega

Fonte: BRASILESCOLA, 2016

Identifica-se na descrição da Tabela 1 a quantidade de pinos disponíveis para dados analógicos e digitais, o espaço de armazenamento para o programa utilizado, frequência de operação e faixa de tensão de alimentação necessária ao seu funcionamento.

3.3.2 GY-NEO6MV2 – Módulo GPS

O GY-NEO6MV2 (conforme Figura 5) é o módulo GPS utilizado no projeto. Ele possui uma antena acoplada que aumenta a sua gama de alcance e melhora o sinal de recepção dos satélites.

Figura 5 – Módulo GPS GY-NEO6MV2

Fonte: VOLUSION, 2016

Micro controlador AtMega2560

Tensão de funcionamento 5V

Tensão de entrada (recomendado) 7 a 12V

Tensão de entrada (máxima) 6 a 20V

Pinos de entrada e saída digital 54 (dos quais 14 podem ser saídas PWM)

Pinos de entradas analógicas 16

Valor máximo de corrente fornecida por pino 40mA

Valor de corrente para pino 3,3V 50mA

Memória flash 256KB

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

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Com quatro pinos (VCC, RX, TX, GND), possui as seguintes características operacionais:

Tensão de Alimentação: 3 a 5 Volts; Bateria interna de apoio;

Comunicação serial com taxa padrão de 9600 bps; Faixa de temperatura de operação: -40°C a 85°C;

Dimensões: 27x36x5 milímetros e antena de 25x25x15 milímetros; Protocolo de comunicação NMEA;

Tempo de aquisição de dados, a frio, de 27 segundos e quente de 1 segundo; Velocidade limite: 500 m/s;

Altitude limite: 50000 metros; Número de canais: 50;

Sensibilidade: -146dBm/-160dBm;

Frequência de atualização de navegação de 5Hz; Precisão da posição de 5 metros.

Protocolo NMEA:

O protocolo NMEA foi criado para a comunicação entre dispositivos GPS. Cada linha de dado recebida representa uma cadeia de caracteres com características especificas.

Abaixo seguem alguns tipos de dados recebidos pelo módulo GPS: GGA: dados básicos de posição.

GLL: dados de latitude e longitude.

GSA: GNSS (Global Navigation Satellite System) e número de satélites ativos. GSV: GNSS e número de satélites disponíveis.

RMC: informação mínima recomendada de posição. VTG: contém a direção e velocidade do módulo GPS. ZDA: dados de data e de tempo.

Na Figura 6, pode ser verificada a série de informações recebidas pelo módulo GPS, durante a fase de testes de programação do Arduino. O identificador inicial de cada linha recebida indica uma série de informações que podem ser utilizadas. No projeto atual, utiliza-se as informações de data e hora, latitude e longitude e também altitude.

Figura 6 – Exemplo de bloco de dados recebidos pelo módulo GPS

Fonte: Produção do autor

Por exemplo, na segunda linha de dados

($GPGGA,171127.00,2905.23632,S,05313.62709,W,2,09,0.98,316.7,M,7.2,M,,0000* 6B) identificam-se as coordenadas de latitude (29,0523632 Sul) e longitude (53,1362709 Oeste).

3.3.3 HMC5883L – Módulo Magnetômetro

Esse é um dispositivo usado como bússola digital (magnetômetro). Ele informa o número de graus de desvio que tem-se em relação ao sul magnético da terra, sendo zero graus o sul e cento e oitenta graus o norte. Para a comunicação com o módulo, utiliza-se do barramento I2C, um protocolo mestre/escravo em que todos os dispositivos podem se conectar ao mesmo tempo através de um endereço específico.

Na Figura 7 tem-se sua disposição construtiva.

A sua pinagem de alimentação são os pinos de VCC_+5V, GND e 3V3. Os pinos de dados são SDA, SCL e DRDY.

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Figura 7 – Módulo magnetômetro

Fonte: BANGGOOD, 2016

Na programação deve ser prevista a correção entre as coordenadas magnéticas com as geográficas para que possamos ter a orientação correta. Esse desvio varia de acordo com o local da superfície terrestre. Na Figura 8 verifica-se a representação gráfica entre as declinações dos sistemas de coordenadas.

Figura 8 – Desvio entre as coordenadas magnéticas e geográficas.

Fonte: HELIODON, 2016

A Tabela 2 indica as declinações das capitais do Brasil. Para fins de cálculo, utiliza-se a capital gaúcha como referência de correção na declinação.

Tabela 2 – Tabela aproximada de localização e declinação do norte magnético

Fonte: SARMENTO, 2016

3.3.4 HC-SR04 – Módulo Ultrassônico

Este módulo é um sensor de proximidade que usa um sonar para detectar obstáculos. Por um dos seus sonares da placa envia a onda de som através de um campo visual de 30 graus à frente e, pelo outro sonar recebe a onda sonora novamente após bater em um obstáculo. Seus pinos Echo e Trig são conexões para cada uma dessas ondas.

Figura 9 – Sensor ultrassônico

Fonte: INSTRUCTABLES, 2016

Possui quatro pinos: VCC, Trig, Echo e GND. As pinagens VCC e GND correspondem à alimentação do módulo.

Na Figura 9, tem-se o dispositivo em si e, na Figura 10 as suas dimensões e campo visual do sinal.

Capitais Latitude Longitude Declinação Capitais Latitude Longitude Declinação Aracajú-SE 06°00'S 37°00'O 22°O Manaus-AM 03°00'S 60°00'O 14°O

Belém-PA 01°30'S 48°30'O 20°O Natal-RN 06°00'S 35°00'O 22°O

Belo Horizonte-MG 20°00'S 44°00'O 21°O Palmas-TO 10°00S 48°00'O 20°O

Boa Vista-RR 03°00'N 62°00'O 13°O Porto Alegre-RS 30°00'S 51°00'O 15°O

Brasília-DF 16°00'S 48°00'O 19°O Porto Velho-RO 09°00'S 64°00'O 10°O

Campo Grande-MS 20°30'S 54°30'O 15°O Recife-PE 08°00'S 35°00'O 23°O

Cuiabá-MT 15°30'S 56°00'O 15°O Rio Branco-AC 10°00'S 68°00'O 7°O

Curitiba-PR 25°30'S 49°00'O 17°O Rio de Janeiro-RJ 23°00'S 43°00'O 22°O

Florianópolis-SC 27°30'S 48°30'O 17°O Salvador-BA 13°00'S 38°30'O 23°O

Fortaleza-CE 03°30'S 38°30'O 21°O São Luis-MA 02°30'S 44°00'O 21°O

Goiânia-GO 17°00'S 49°00'O 19°O São Paulo-SP 23°30'S 46°30'O 19°O

João Pessoa-PB 07°00'S 35°00'O 22°O Teresina-PI 05°00'S 43°00'O 21°O

Macapá-AP 02°00'N 51°00'O 18°O Vitória-ES 20°30'S 40°00'O 23°O

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Figura 10 – Dimensões e campo visual do sensor ultrassônico

Fonte: ITEAD, 2016

O alcance é de dois centímetros a quatro metros. O seu funcionamento não é afetado pela luz ultravioleta e nem por qualquer superfície negra, mas pode ter algum problema com materiais tipo tecido que são difíceis de ser detectados.

3.3.5 L298N – Controle dos Motores

Para o controle dos motores que irão direcionar o veículo, é necessário elevar o nível de corrente fornecido pelo Arduino ao nível que os motores precisam para o seu correto funcionamento.

Com o módulo L298N é possível controlar a velocidade e o sentido de dois motores DC além de permitir a parada destes. O circuito que permite executar o controle descrito é chamado de ponte H. Seu nome deve-se à semelhança da letra H, como visto na Figura 11. Verifica-se que o controle da velocidade é dado pela fonte de corrente e sentido de giro do motor é modificado em função da combinação de acionamento das chaves.

Figura 11 – Ponte H para controle de motores

O módulo possui os seguintes pinos que permitem o seu controle e pode ser visualizado na Figura 12:

VCC: Tensão positiva para alimentação dos motores; GND: Sinal comum de referência para o circuito; MotorA: Contatos para conexão do motor A; MotorB: Contatos para conexão do motor B; ENA: Habilita o motor A;

IN1 e IN2: Sinais de controle para o motor A; ENB: Habilita o motor B;

IN3 e IN4: Sinais de controle para o motor B.

Figura 12 – Módulo L298N (Driver Ponte H para motores)

Fonte: DXCDN, 2016

3.3.6 Conversor DC-DC

Para que se possa trabalhar em um nível fixo de tensão para o Arduino, é necessário converter a alimentação proveniente da bateria para um valor mais baixo. Mesmo que ocorram variações de potencial na mesma, a saída do conversor DC-DC permanecerá inalterada. Como ainda haverá um controlador de carga para painel solar, as comutações entre a alimentação da bateria e do painel solar não irão influenciar na tensão de alimentação. Como pinagem, o módulo possui dois pinos de entrada de alimentação e dois pinos de saída de alimentação, conforme Figura 13.

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Figura 13 – Conversor DC-DC

Fonte: MLSTATIC, 2016

3.3.7 Shield mini SD-Card

Como item fundamental para armazenamento de dados, foi considerada a instalação de um cartão de memória acoplado. Como podem ocorrer interrupções na comunicação entre o veículo autônomo e uma plataforma coletora de dados, que pode ser um computador pessoal ou corporativo, este módulo irá armazenar as informações até o restabelecimento da comunicação. Este dispositivo é fundamental para tornar o projeto mais confiável.

É possível gerar-se arquivos com formato específico para visualização em software compatível com os pontos da rota executada pelo veículo.

Na Figura 14, visualiza-se como é o módulo descrito acima:

Figura 14 – Shield Mini SD-Card

3.3.8 Módulo Bluetooth HC-05

Um módulo bluetooth permite a comunicação entre dispositivos fixos e móveis e também elimina a necessidade de fios entre os mesmos. É possível a criação de uma pequena rede sem fio para coleta de informações e monitoramento do veículo.

Ao alimentar o módulo, este procura algum dispositivo para se conectar, com um nome de rede e senha padrão. A transferência dos dados ocorre por emulação de um canal serial. A disposição construtiva do módulo é apresentada na Figura 15.

Figura 15 – Módulo Bluetooth HC-05

Fonte: MLSTATIC, 2016

3.3.9 Câmera VGA OV7670

Para aplicações de monitoramento de amostras visuais, uma câmera acoplada ao veículo irá executar a coleta de imagens e permite uma atualização de 30 frames por segundo, ou seja, permite captura de até trinta imagens por segundo dando a ideia de movimento. Um modelo possível de se utilizar no projeto pode ser visualizado na Figura 16.

Figura 16 – Câmera VGA OV7670

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3.3.10 Display LCD

Os módulos LCD são interfaces de saída muito utilizados em circuitos eletrônicos, pois permitem informar ao usuário qualquer informação que está sendo processada. Os mais comuns, tipo caracter são encontrados nas configurações conforme Tabela 3.

Tabela 3 – Módulos LCD disponíveis

Fonte: UNICAMP, 2016

Os displays podem apresentar uma luz de fundo para facilitar a leitura das informações de tela. Na Figura 17, tem-se um exemplo de display utilizado no projeto. Trata-se de um modelo com duas linhas e dezesseis colunas.

Figura 17 – Display de 2 linhas e 16 colunas

Fonte: SHOPCLUES, 2016

Número de Colunas Número de Linhas Quantidade de Pinos

8 2 14 12 2 14/15 16 1 14/16 16 2 14/16 16 4 14/16 20 1 14/16 20 2 14/16 20 4 14/16 24 2 14/16 24 4 14/16 40 2 16 40 4 16

3.3.11 Sensor de Chuva

O sensor de chuva acoplado ao microcontrolador, em uma entrada analógica previamente configurada, irá indicar a presença de umidade suficiente para indicar uma intempérie. É denominado como pluviômetro. O dispositivo comporta-se como uma resistência sensível à condutividade. O dielétrico entre dois fios, por exemplo, possui uma resistência teórica infinita. Quando há a presença de água entre estes mesmos dois fios, sua condutibilidade irá variar e haverá a presença de uma resistência, devido a possibilidade da corrente elétrica poder fluir através deste meio. O dispositivo descrito possui uma placa sensitiva, em forma de linhas paralelas que, na presença de umidade, irão sinalizar a chuva. Outro módulo acoplado indicará, conforme ajuste de sensibilidade, um sinal ao microcontrolador indicando o momento de aguardar a continuidade do percurso programado.

Neste sistema, conforme Figura 18, há três pinos que devem ser conectados. Dois deles referem-se à alimentação, conforme potencial fornecido pelo microcontrolador e o terceiro pino indicará, através de ajuste, um sinal da intensidade da intempérie.

Figura 18 – Sensor de Intempérie

Fonte: MLSTATIC, 2016

Tal dispositivo, representado na Figura 18, possui trilhas resistentes à corrosão na placa sensitiva e LED’s que indicam os níveis mínimo e máximo de chuva, de forma a permitir uma análise visual, caso seja necessário.

3.4 Modelo de Veículo

Em engenharia de sistemas, que definem os requisitos como um conjunto de condições ou termos que o sistema deve possuir para que a principal tarefa seja cumprida. Os requisitos classificam-se em funcionais e não funcionais. Nos

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requisitos funcionais têm-se aqueles que definem o sistema, a sua tarefa principal. Os requisitos não funcionais dizem respeito a fatores como acessibilidade, manutenção, qualidade e como o sistema deve executar determinadas ações.

O projeto deve adequar-se aos seguintes requisitos: - Resistir a intempéries;

- Ser autônomo para um período longo de tempo, ou seja, dar baixa manutenção e, garantir um funcionamento contínuo;

- Ter capacidade de carga de vinte e cinco quilos de peso próprio. Os elementos que contribuem para isto são a bateria, uma estrutura com painel superior acoplada, controlador de carga, circuito eletrônico, motores de acionamento das rodas, base chassi de apoio, rodas e proteção externa;

- Possuir dimensões adequadas para se movimentar no trilho, entre duas linhas de plantação em uma lavoura, evitando obstáculos;

- Haver a possibilidade de controle manual, quando for necessário;

Verificando-se os requisitos, escolheu-se por tracionar o veículo através de um eixo apenas, com controle de direção através do movimento relativo entre as rodas deste eixo. A tração ficará na parte frontal do veículo. Na parte traseira ficará o rodízio, que se trata de uma articulação e permite apoiar o veículo e alterar a sua trajetória. No ANEXO A deste trabalho (DRUNN, 2016) têm-se um exemplo de modelo de veículo que pode ser implementado no projeto.

3.5 Dificuldades de Execução da Tarefa Programada

Além das intempéries, como descritas anteriormente, também pode haver a perda de comunicação do GPS com os satélites. Nestes casos, há a possibilidade do veículo entrar em uma rotina que aguarde o retorno do sinal da rota, bastando controlar um dos sinais disponíveis no módulo GPS que informa se o dispositivo está conectado ou não.

Durante a noite, o veículo também poderá permanecer parado devido à impossibilidade de coletar imagens através da câmera disponibilizada no projeto.

O módulo sensor de chuva irá auxiliar, como dispositivo principal, a tomada de decisão de continuar o percurso, perante os demais sistemas. Isso permite um controle da integridade do sistema.

3.6 Exemplos de Aplicação

O presente projeto tem a finalidade de executar a coleta de imagens na agricultura. Estas imagens podem ser utilizadas para monitoramento visual de pragas, ervas daninhas, qualidade das plantas e dos frutos, ou até mesmo visualizar uma região ainda não conhecida da lavoura.

Na agricultura de precisão, um conjunto de informações permite a geração de mapas visuais da lavoura, para um controle específico e preciso na aplicação de adubos ou insumos.

Uma alternativa consiste em acoplar um braço robótico que irá retirar amostras de solo ou da plantação, acondicionando essas amostras no próprio veículo ou em algum local específico para tal finalidade. Quando não há possibilidade de acondicionar as amostras no próprio veículo, a tarefa pode ser programada para coleta de uma por vez e transportada para um local específico de deposição.

3.7 Utilização do Veículo

Inicialmente, o veículo será ligado a partir de um botão, o qual irá favorecer a energização de todo o circuito. Na programação do software foi implementada o tempo de espera para inicialização do módulo GPS, condição inicial para permitir o movimento do veículo. Além disso, é necessário que ocorra a definição da rota de percurso. A rota pode ser fixa, através da inclusão de coordenadas geográficas na programação ou, pode ser definida e alterada sempre que houver a troca de dados entre o veículo e algum computador fixo.

Após a inicialização do sistema do veículo, o mesmo irá se direcionar para o início da rota programada, com o auxílio do módulo magnetômetro. Neste ou em qualquer percurso, o veículo poderá encontrar algum obstáculo e tenderá a desviá-los através de uma função específica no programa que contará com a leitura de informações do módulo ultrassônico.

A câmera fará coleta de imagens a cada dez segundos, em função da velocidade do veículo e do espaço de armazenamento no cartão de memória.

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Conforme cada imagem é gerada, ela recebe no nome do arquivo a data e horário da leitura. Somente haverá coleta de imagens quando o veículo estiver dentro da rota programada.

Em horários de pouca luminosidade ou intempéries, o veículo entra em modo de espera.

Quando terminada a rota, ou em casos de memória de armazenamento cheia, o veículo irá se direcionar para uma ou mais coordenadas fixas, previamente cadastradas, que possibilitarão a transferência dos dados armazenados durante a coleta. O módulo de bluetooth permitirá a troca de informações, inserção de novas rotas, ou até mesmo atualização dinâmica do veículo enquanto estiver em estado de comunicação. Nesta etapa, uma função do software de programação permitirá medir a qualidade de sinal de comunicação, até atingir um nível desejado que dará maior confiabilidade de conexão e aguardará o fim da troca de informações ou atualizações de parâmetros funcionais do veículo.

3.8 Fluxogramas Lógicos

O fluxograma é uma representação gráfica do comportamento que se deseja aplicar a determinada aplicação. Este método é uma forma fácil de visualização e permite possíveis alterações sempre que desejado, além de auxiliar durante a sua implementação na busca de possíveis erros.

Na Figura 19 verifica-se o fluxograma básico do software.

Figura 19 – Fluxograma básico

Na inicialização do software são declaradas as variáveis globais e as bibliotecas específicas para os dispositivos que serão gerenciados.

Todo dispositivo necessita, em nível de linguagem de programação, uma forma de traduzir as informações que está processando. Para auxiliar neste processo, são criadas bibliotecas específicas para o mesmo. Essas bibliotecas possuem funções internas que fazem uma conversão de sinais da grandeza controlada ao processador ou hardware ao qual estão conectados e, de forma eficiente. Geralmente as bibliotecas são disponibilizadas pelo fabricante do dispositivo.

Na Figura 20 têm-se todas as bibliotecas utilizadas na programação.

Figura 20 – Bibliotecas do Arduino

Fonte: Produção do autor

As variáveis permitem armazenar valores durante a execução do programa, associar um nome a um dos pinos de entrada ou saída de dados, atribuir um identificador para um canal de comunicação etc. Estas variáveis servem de auxílio nas operações matemáticas utilizadas, podem manter valores desejados no

pós-44

processamento, ou seja, nos dados coletados e também possibilitam a troca de informações entre quaisquer dispositivos. Ainda utilizam-se variáveis com valores fixos, denominadas constantes. Visualiza-se na Figura 21 o fluxograma da declaração de variáveis.

Figura 21 – Declaração de variáveis

Fonte: Produção do autor

Na etapa descrita acima, utiliza-se algumas saídas digitais para sinalização, o que permite, de uma forma rápida, identificar algumas variáveis de estado. Estas irão mostrar o funcionamento de alguns dispositivos.

Na etapa denominada setup, ocorre a configuração de algumas variáveis e também das bibliotecas utilizadas. Os pinos de dados digitais, que utiliza-se no Arduino, devem ser configurados para operar como saída ou entrada. É definido o modo de comunicação dos canais de comunicação e também a inicialização das bibliotecas dos dispositivos, exemplificado na Figura 22.

Ao lado de cada item da lógica está descrito a função de cada rotina, o que permite um melhor entendimento do fluxograma.

Figura 22 – Fluxograma da configuração do sistema

Fonte: Produção do autor

Ainda no setup do programa é necessário verificar se o sistema está íntegro para o cumprimento da tarefa desejada. É analisado o estado da bateria através da leitura da tensão em uma entrada analógica, também verificado se os motores estão em movimento com um pequeno percurso. Consegue-se ainda testar o direcionamento informado pela bússola eletrônica, o estado de funcionamento do módulo GPS e a comunicação com o equipamento coletor de dados.

Por fim, ocorre a parte de execução do software, denominada loop. Todas as linhas de programação presentes nesta etapa irão se repetir infinitamente. Nesta etapa, tenta-se prever todas as variáveis do problema e tomar medidas cabíveis para cada uma delas. Pode-se inibir o movimento do veículo quando necessário, entrar em modo de espera quando necessita-se de algum dispositivo específico, como o módulo GPS, ou até mesmo sair da rota quando a memória de armazenamento está cheia.

As funções e procedimentos, utilizadas em programação, são etapas do código que se repetem muitas vezes ou são acessadas eventualmente. Para evitar que a programação se torne extensa, utilizam-se códigos genéricos utilizados em várias etapas do mesmo e acessados quando necessário através de um nome atribuído. Pode-se utilizar funções com envio ou retorno de variáveis, ou ambas e, nos procedimentos, têm-se a possibilidade de enviar valores apenas e, com eles, executar alguma tarefa. O funcionamento básico do projeto segue o fluxograma mostrado na Figura 23, onde identificamos a rotina lógica do veículo.

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Figura 23 – Fluxograma lógico de funcionamento do veículo

Fonte: Produção do autor

Na Figura 24 tem-se o primeiro hardware projetado, com seus dispositivos básicos. Verifica-se nesta figura, a presenças dos componentes que são essencias para que o robô possa percorrer o percurso sem a necessidade de identificar intempéries, obstáculos e, até mesmo as condições do seu próprio sistema, como a bateria. Este projeto objetivou a análise dos dispositivos agregados e suas características em funcionamento

Figura 24 – Configuração básica de hardware para o projeto

Fonte: Produção do autor

O diagrama mostrado acima identifica os principais dispositivos com as suas respectivas pinagens, descritos no desenvolvimento deste trabalho. Estes são os componentes mínimos necessários que permitem a realização de todos os testes de funcionamento. Verifica-se os sinais recebidos pelo módulo GPS, a direção determinada pelo magnetômetro, informações apresentadas no display, os motores realizando o movimento do veículo e uma fonte de alimentação fornecendo energia a todos estes componentes, inclusivo o microcontrolador principal.

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4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Os conceitos de agricultura de precisão e aplicação localizada de insumos são as ferramentas mais modernas disponíveis para a racionalização dos processos de produção agrícola e que, num futuro não muito distante, farão parte do cotidiano das atividades agrícolas brasileiras.

Os custos envolvidos para implementação da agricultura de precisão são obstáculos para a utilização dessa tecnologia diretamente pelos agricultores. Sua utilização ainda permanece em maior parte com os prestadores de serviço na aplicação localizada de insumos. A tendência do mercado é de uma evolução tecnológica e diminuição de custos, o que irá garantir a viabilidade técnica e econômica da utilização destas tecnologias num curto espaço de tempo.

Este trabalho mostrou a possibilidade de se obter uma solução compacta, autônoma e que possui semanas de autonomia, sem necessidade de reabastecimento, apenas operando através da energia solar e a relação custo-beneficio é favorável ao usuário interessado em adotar a agricultura de precisão.

Com a pesquisa dos dispositivos eletrônicos descritos acima, verificou-se que há infinitas possibilidades de criar-se algum projeto relacionado com os mesmos e, que estes dispositivos atendem ao projeto proposto.

A leitura permitiu identificar quais tipos de robôs estão presentes na atualidade e que executam tarefas semelhantes como a pretendida neste trabalho.

Há uma série de novos projetos, juntamente com a evolução da tecnologia, que podem ser idealizados através de pesquisa e desenvolvimento. É valorável quando se têm uma iniciativa que vem de encontro aos objetivos de sustentabilidade e em prol da humanidade.

5 TRABALHOS FUTUROS

Primeiramente é deseja-se realizar a montagem do circuito eletrônico e verificar-se a lógica de programação proposta para a execução das tarefas propostas. Em etapa posterior à apresentação da banca do trabalho de conclusão de curso pretende-se executar o projeto de fabricação do veículo conforme sugestão de modelo apresentado no ANEXO A e verificação se atende aos requisitos de durabilidade desejados. Consequentemente haverá o período de testes e simulações do hardware projeto para esta aplicação, levando-se em consideração as variáveis que farão parte do modelo real. Acoplado ao sistema do veículo, será necessário instalar-se uma placa fotovoltaica, uma bateria e o controlador de carga que permitirão o fornecimento de energia ao modelo proposto.

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