Estação meteorológica automática baseada em internet das coisas (IoT)

(1)

Rev. Bras. de Iniciação Científica (RBIC), Itapetininga, v. 7, n.2, p. 107-118, 2020. Edição Especial Universidade Federal da Integração Latino-Americana (UNILA)

107 ESTAÇÃO METEOROLÓGICA AUTOMÁTICA BASEADA

EM INTERNET DAS COISAS (IoT).

AUTOMATIC WEATHER STATION BASED IN INTERNET

OF THINGS IoT (OPEN SOURCE).

ESTACION METEREOLOGICA BASADO EN INTERNET DE

LAS COSAS IoT (OPEN SOURCE).

Shirley Carla Chamby Espejo Oswaldo Ando Hideo Junior

Resumo: A aquisição de variáveis meteorológicas é uma necessidade para o entendimento do meio ambiente,

fundamental para as atividades humanas, assim, o projeto tem como objetivo a montagem e calibração de uma Estação Meteorológica Experimental utilizando materiais de baixo custo, visando uma maior viabilidade econômica do trabalho. Os procedimentos metodológicos envolvem a aquisição dos materiais contando com sensores de temperatura, umidade relativa, pressão atmosférica e altura; a programação em código aberto (open source); a automatização e coleta de dados; colocação e avaliação do sistema com os sensores, a partir de dois meios de comunicações, sendo um aplicativo “Blink App” em android® e uma monitoração online através de internet, no site ThingSpeak®_{, que oferece uma boa plataforma para a monitoração e confiabilidade dos dados.}

Palavras-chave: Estação metereologica, Monitorização, Automatização, Aplicação

Abstract: Acquisition of meteorological variables is a necessity, the comprehension of the environment,

fundamental for human activities, the thematic project as an objective for the installation and calibration of the experimental meteorological station using low cost material aims at greater economic viability of the work. According to the stages of the project: Acquisition of materials counting with temperature sensors, relative humidity, atmospheric pressure and height; A second step is to program in open source code; In the third place, automation and data collection; One stage in which the system is placed and supported as a sensor system, based on communications means to be an application "Android application" on Android®_{and online monitoring via the} Internet on the ThingSpeak website, which offers a platform for monitoring and data reliability.

Keywords: Weather station, Monitoring, Automation, Application

Resumen: La adquisición de variables meteorológicas es una necesidad, la comprensión del medio ambiente, es

fundamental para las actividades humanas, el proyecto temático como objetivo para la instalación y calibración de la estación meteorológica experimental utilizando material de bajo costo apunta a una mayor viabilidad económica del trabajo. Según las etapas del proyecto: Adquisición de materiales contando con sensores de temperatura, humedad relativa, presión atmosférica y altura; Un segundo paso es programar en código abierto; En tercer lugar, automatización y recopilación de datos; Una etapa en la que el sistema se coloca y se admite como un sistema de sensores, basado en comunicaciones significa ser una aplicación "aplicación de Android" en Android®_{y monitoreo en línea a través de Internet en el sitio web ThingSpeak}®_{, que ofrece un sitio web} ThingSpeak. plataforma para monitoreo y confiabilidad de datos.

Palavras-chave: Estación meteorológica, monitorización, automatización, aplicación.

(2)

108

INTRODUÇÃO

A compressão do clima e do tempo no espaço geográfico tem sido um tema recorrente na sociedade nos últimos anos, inicialmente pelo fato de que desconhecermos todos os fatores que realmente influenciam a dinâmica da atmosfera do nosso planeta.

A aquisição de dados meteorológicos foi de grande interesse nos tempos antigos, começando pelos primeiros instrumentos de medição. Nesse contexto, uma estação meteorológica é entendida como um local onde são recolhidos dados para análise do tempo meteorológico, tendo instrumentos de medição precisos para a análise. Os dados coletados a partir desse monitoramento são utilizados para a previsão do tempo e para diferenciação do clima (SANCHES et al., 2017).

Segundo Silva et al. (2016) as estações meteorológicas são classificadas como manuais ou automáticas, a depender do processo de inserção de dados, isto é, se os dados são inseridos por um usuário que esteja monitorando os instrumentos, a estação meteorológica é manual e se os dados são gerados somente com a programação dos equipamentos (não precisando da intervenção humana para inserir dados) ela é definida como uma estação automática; cabe considerar ainda que estas estações podem ser inclusive usadas para transmitir e armazenar os dados em tempo real, agilizando e diminuindo a probabilidade de erro em todo o processo.

Por muitos anos, a avaliação de dados através de estações meteorológicas convencionais tem sido administrada pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). Este instituto instala estações meteorológicas e os técnicos responsáveis coletam os dados gerados, pelo menos três vezes ao dia; percebe-se que o número de coletas é pequeno, sendo que os dados coletados às vezes possuem erros humanos e erros associados aos instrumentos de medição, o que acaba gerando incertezas de natureza sistemática ou aleatória (BRITO; SILVA, 2016).

Com o tempo, os recursos tecnológicos foram evolucionando na área de ciência climatológica e, dessa forma, gerou-se um vasto número de ferramentas, amplamente utilizadas na atualidade, enfocadas na pesquisa e em estudos da área (SANCHES et al., 2017). Uma das principais problemáticas das estações meteorológicas profissionais na atualidade é que estas contam com tecnologia de alto custo econômico, uma questão que acaba afetando a realização de pesquisas na área, devido ao baixo orçamento disponível, daí a necessidade de

(3)

109

criar estações meteorológicas que possam ser úteis, com baixo custo e que ainda mantenham

qualidade na obtenção de dados, principal proposta desta pesquisa.

Para identificação dos dados é necessário entender a Internet das Coisas (IoT), que descreve um sistema onde os elementos no mundo físico e os sensores acoplados a esses elementos são conectados a internet, através de conexões cabeadas ou sem fio; cabe destacar que as primeiras implantações da internet começaram com a conexão de equipamentos industriais, sendo que hoje se expandiram para conexões em nível geral (LOPEZ RESEARCH, 2013).

Considerando esses apontamentos, o objetivo deste trabalho é utilizar Software Livre (Open Source) para o desenvolvimento de uma estação meteorológica automática, onde o protótipo é a base do sistema de controle Wemos D1 mini, que pode transmitir dados diretamente da rede ao banco de dados disponibilizado em um determinado site.

ESTADO DA ARTE

Com o desenvolvimento tecnológico se tornou possível a criação de estações meteorológicas automáticas (Automatic Weather Station – AWS), isto é, de estações que dispensam da interferência humana sobre medições, em termos de precisão e taxa de amostragem nas estações do INMET. Conforme Torres et al. (2015) as estações automáticas facilitam as medições meteorológicas, pois possuem um bom desempenho, praticidade e confiabilidade, mas apresentam custos elevados.

Além disso, sabe-se que na meteorologia existe um fenômeno conhecido como o caos em sistemas dinâmicos, que acarreta uma baixa previsibilidade por modelos de previsão de aumento da malha amostral, beneficiando um aumento na rede de aquisição de dados.

Apesar do alto custo, justifica-se o uso das Amazon Web Services, plataforma de serviços de computação na nuvem, devido ao fato de se ter uma alta demanda para estações meteorológicas de baixo custo e consumo elétrico, que sejam compactas e permitam uma fácil instalação.

A literatura versa sobre a possibilidade do uso do Arduino® para a medição de

variáveis meteorológicas, uma questão muito recente. No entanto, atualmente, há projetos que

(4)

110

citadas aplicações como a de Sanches et al. (2017), uma proposta de pluviômetro de baixo

custo utilizando a plataforma de prototipagem Arduino®. Este projeto foi desenvolvido para

validar registros de dados de referência, em um período de 90 dias de observação e, para isso, aplicou-se um método estatístico de correlação linear, a fim de verificar a constância de dados pluviométricos, deve-se considerar ainda que foram utilizados apenas materiais de baixo custo.

Por outro lado, Brito e Silva (2016) realizaram um trabalho de uma Estação Meteorológica de baixo custo, descrevendo a construção de uma estação automática com o

micro controlador de Arduino® conectado à internet, capaz de fornecer informações em tempo

real pela rede.

Por outra parte, Paiva (2017) desenvolveu uma estação meteorológica automática e didática de baixo custo. Sua proposta foi basicamente constituída por uma caixa a prova de intempéries que contém um data logger, regulador de carga, bateria recarregável, painel solar e sensores meteorológicos. Observou-se que a configuração das estações depende da finalidade e que, ao mesmo tempo, o mercado impõe custos elevados para aquisição de placas eletrônicas micro controladas, resultando em uma estação didática, onde os dados de temperatura e umidade são analisados.

Considera-se que a proposta de Sousa, Antunes e Cabral (2015) na montagem e calibração da estação a partir de utilização de matérias de baixo custo, facilita a aquisição de dados registrados pelos sensores da estação meteorológica experimental; foi constatada, a partir de um de erro de 0,4% entre a estação de protótipo e uma estação INFRAERO/GNA, uma boa confiabilidade e excelente qualidade, incluindo o baixo custo na construção.

Já o trabalho de Correia, Rocha e Rissino (2016), que envolveu um sistema de automatização de irrigação com monitoramento via aplicativo Web, apresentou uma proposta

de aquisição de dados com arduino® para monitoramento e controle automático da irrigação,

com acionamento de um aplicativo Web, utilizando um código aberto (Open Source), equipamento de automatização e instrumentos de comunicação remota, com um sistema conjunto de algoritmos que se tornou uma boa fonte de informação sobre os dados dos sensores no ambiente escolhido.

(5)

111

Assim, o presente trabalho visa fazer um protótipo simples, capaz de ser monitorado

de diversas formas e ter uma confiabilidade nos dados, podendo estes ser acessados desde uma página Web e um App Blink, desenvolvido por um intermediário compacto do mesmo

ramo do arduino® e o Wemos D1 mini.

METODOLOGIA

O fluxograma da metodologia para a montagem da estação meteorológica é apresentado na figura 1.

Figura - Fluxograma da estrutura da metodologia

O desenvolvimento deste trabalho se pautou nas seguintes etapas: Etapa A – obtenção de informação de estações meteorológicas de baixo custo e sensores desenvolvidos na pesquisa nos últimos anos; etapa B – a composição da estação meteorológica, obtenção dos materiais sendo sensores de temperatura, humidade, pressão e altura e Wemos D1 Mini, uma placa utilizada em projetos iOT(Internet das coisas), conta com um dispositivo de wifi ESP8266EX, que permite a comunicação sem fio. Além disso nesta etapa é feita a montagem

e comprovação do sistema eletrônico; etapa C – elaboração do algoritmo que constitua a

leitura dos sensores com o dispositivo Wemos, assim como o envio de dados de leitura para o aplicativo Blink® e ThingSpeak®. Elas monitoram e armazenam dados dos sensores; etapa D

(6)

112

– é realizado um desenho 3D para integrar todos os componentes eletrônicos, seguido pela

avaliação e automatização sem fio através do aplicativo Blink®_{e de armazenamento de dados}

na nuvem através do ThingSpeak®_.

DESENVOLVIMENTO DE PROJETO

Nesta seção apresenta-se o descritivo do projeto sendo subdividido em: (i) desenvolvimento em hardware, (ii) desenvolvimento de software e (iii) desenvolvimento do desenho mecânico.

Desenvolvimento em hardware

Os dispositivos adquiridos para o desenvolvimento do hardware são:

O Wemos D1 mini, um sistema de desarrolho similar com arduino, baseado no SoC (System on chip) ESP8266, chip altamente integrado, desenhado para as necessidades de um mundo sem fio. Para o desarrolho de aplicações pode escolher entre a linguagem arduino e Lua, podendo utilizar o IDE de arduino e suas livrarias especificas referentes ao chip.

O sensor utilizado para medir a temperatura é o DS1820, que é um sensor digital, composto de transistores pequenos. Sua apresentação comercial é robusta e o sensor fica dentro de um tubo de aço inoxidável resistente à umidade. Com ele podemos medir temperaturas desde -25°C até os 125°C. O sensor foi escolhido por ter precisão na amostragem de dados, sua conexão é mostrada na Figura 2a.

Para a tomada de pressão o sensor escolhido foi o BMP280, um sensor de pressão e altura utilizado comumente pela precisão e baixo consumo de energia, ademais de seu tamanho portátil, além de ter múltipla funcionalidade, pois mede altura de pressão e a temperatura, mas, neste projeto, somente é utilizado para a pressão e a altura. A configuração

seguinte mostra como é feita sua conexão na Figura 2b.

Figura - Estrutura elétrica a) Sensor DSB1820 b) Sensor de humidade c) sensor de pressão

• (b) (c)

Posteriormente, é elaborado a montagem de cada componente. Verifica-se as conexões de todos os sensores já que são utilizados em 5 volts referidos ao micro controlador Wemos D1 mini, ademais é adicionado uma tela LCD para mostrar os dados atuais da estação mostrado na figura 3.

(7)

113

Figura - Montagem do hardware

Desenvolvimento do software

O desenvolvimento do software é desenhado a partir das leituras de cada componente. Além disso a obtenção das bibliotecas de cada sensor compatíveis com o chip do Wemos D1 mini.

A construção do algoritmo, inicia com a leitura da temperatura, umidade, altura e pressão e amostragem na tela LCD, ademais de um loop para atualizar cada minuto os dados, o código faz a leitura e ao mesmo tempo pode transmitir os dados.

(8)

114

A figura 4 representa a comunicação sem fio a través do Wemos D1 mini, são

utilizados métodos de monitoração, uma é a traves de uma página Web compatível com o chip ESP8266, chamada ThingSpeak, um site livre e gratuito, porém, com limitações. A plataforma cria uma espécie de drive de armazenamento, sendo possível configurar a amostragem dos dados, ademais, gera um código único para a comunicação com Wemos D1 mini. No instante em que o software programa o código na placa Wemos, ele comunica-se diretamente com o servidor do projeto inserido na plataforma ThingSpeak®. Esta ferramenta ademais de monitorar ele armazena os dados na nuvem.

Para a segunda opção se obtém a ferramenta Blink®, uma aplicação que trabalha baseado em software personalizável que permite controlar dispositivos programáveis. Em um espaço próprio para cada projeto, o usuário pode inserir Widgets que implementam funções de controle sendo botões, sliders, e chaves montando displays, gráficos e mapas, a figura 4 apresenta o menu Widgets Box da aplicação Blink. O acesso ao Blink® é limitado, mas

basicamente é uma aplicação gratuita. O Blink® está disponível para Android® e iOS.

Figura 5 – Widget Box da aplicação Blink

Projeto Mecânico em 3D

Os desenhos da estação são feitos no programa de Tinkercad, programa online e gratuito de modelagem 3D, conhecido por ser simples e fácil de utilizar. O desenho da caixa para armazenar o circuito é mostrado na Figura 6.

(9)

115

Figura 6 – Modelo 3D da caixa

Em um futuro pretende-se desenvolver um projeto mais evoluído de uma estação meteorológica, onde se pretende incluir mais sensores, como por exemplo: direção de vento, pluviosidade e sensor de luz, desta forma é possível ter um registro mais amplo de dados tornando a análise mais completa, o seja os desenhos podem mudar de acordo com as necessidades dos dispositivos incluídos.

RESULTADOS

Os dados dos sensores da estação meteorológica são transferidos através da plataforma Wemos para o aplicativo Blink (Figura 5) e consequentemente para o ThingSpeak onde são convertidos em gráficos, os dados ficam disponíveis online e atualizados cada minuto. Os resultados da estação em base aos dados dos sensores são apresentados nas seguintes Figura 7 à Figura 9.

Figura 7 – Resultados da Temperatura em função do tempo

(10)

116

Figura 9 – Resultados da altura em função do tempo

O projeto desenvolvido mostrou-se uma ferramenta com boa comunicação sem fio entre os sensores e o dispositivo Wemos D1, os dados armazenados em nuvem contribuem no processo de monitoração e confiabilidade de dados, adicionados as facilidades de apresentar os dados em gráficos. Destaca-se que os dados também são mostrados no aplicativo Blink em tempo real, ele tem uma comunicação sem fio, pode ser baixado ou compartido mediante um código QR. A apresentação do aplicativo é mostrado na Figura 10.

(11)

117

Figura 10- Dados e monitoração via Aplicativo desenvolvido no Blink

CONCLUSÕES

O presente trabalho desenvolveu um protótipo de estação meteorológica simplificada para registar diferentes dados atmosféricos. Este simples protótipo armazena, monitora e mostra as variáveis climáticas em temperatura, umidade, pressão e altura. Pudendo ser flexível e adaptável a outros dispositivos.

Com a pesquisa identificou-se que os dados captados pela estação meteorológica podem ser armazenados a través de um sistema sem fio. Para uma monitorização segura é importante saber que os dados podem ser manipulados desde qualquer parte. Ademais se os sensores são calibrados delicadamente, é possível personificar os sensores convencionais.

As distintas opções de hardware livre de baixo custo que fornece o mercado, combinado com as ferramentas atuais em sofware, permitem soluções em desenho software/hardware para distintas aplicações. Blink e ThingSpeak são ferramentas gratuitas que permitiram monitorar e armazenar os dados o que facilito chegar a um dos objetivos.

Para trabalhos futuros, sugere-se ampliar os dispositivos tendo uma estação mais completa, por exemplo, determinar a intensidade de vento e direção de ar à aquisição de um pluviômetro e um sensor de luminosidade.

(12)

118

REFERÊNCIAS

BRITO, J. P. S; SILVA, J. P. V. B. Estação metereologica de baixo custo. In: MOSTRA NACIONAL DE ROBÓTICA, II, 2012, Fortaleza. Anais... Sorocaba: UNESP, 2016, p. 93-95.

CORREIA, G. R; ROCHA, H. R. O; RISSINO, S. D. Automação de sistema de irrigação com monitoramento via aplicativo web. Revista Engenharia na Agricultura – Reveng, v. 24, n. 4, p. 314–325, jul./ago. 2016. LOPEZ RESEARCH. O que é Internet das Coisas (IoT)? In: Uma introdução à Internet das Coisas (IoT). San Francisco: CISCO, 2013, p. 2-8.

PAIVA, L. M. S. Desenvolvimento de uma estacao metereologica automatica e didatica de baixo custo. Revista

Intercâmbio, v. 8, p. 193–204, 2017.

SANCHES, R. G ; SILVA, M. S. D; SANTOS, B. C; PEREIRA, D. N. B. Proposta de pluviômetro de baixo custo utilizando a plataforma de prototipagem Arduino. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA FÍSICA APLICADA, XVII, 2017, Campinas. Anais... Campinas: UNICAMP, 2017, p. 2024–2035.

SILVA, A. C. M; SILVA, M. A; MIRANDA, J. P. L; SANTOS, M. C. P; FACEROLI, S. T. Estação metereológica automática de baixo custo. Multiverso, v. 1, n. 1, p. 46-56, jan. 2016.

SOUSA, R. R; ANTUNES, J. P; CABRAL, I. Estação metereológica experimental de baixo custo. Geo UERJ, n. 27, p. 80-97, jul./dez. 2015.

TORRES, J. D; MONTEIRO, I. O; SANTOS, J. R; ORTIZ, M. R. Aquisição de dados meteorológicos através da plataforma Arduino: construção de baixo custo e análise de dados. Scientia Plena, v. 11, n. 2, p. 1-13, 2015.