UNIVERSIDADE DO VALE DO TAQUARI
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TÉCNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
SISTEMA DE MONITORAMENTO LORA APLICADO
EM UM AVIÁRIO DO TIPO DARK HOUSE
Alvin Pedó
Lajeado, novembro de 2020
Alvin Pedó
SISTEMA DE MONITORAMENTO LORA APLICADO
EM UM AVIÁRIO DO TIPO DARK HOUSE
Trabalho de Conclusão de Curso II apresentado
ao Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas da
Universidade do Vale do Taquari UNIVATES,
como parte dos requisitos para a obtenção do
título de bacharel em Engenharia de Controle e
Automação.
Área de concentração: Comunicação LoRa,
Dark House, Programação.
Orientador: M.e Henrique Worm
Lajeado, novembro de 2020
RESUMO
Este trabalho propõe o desenvolvimento de um sistema de monitoramento de
variáveis através da tecnologia de comunicação sem fio de baixa potência LoRa,
aplicado em um aviário de modelo Dark House, no interior da cidade de Nova
Bréscia/RS. Foram monitorados a temperatura, umidade e luminosidade interna do
aviário em três pontos distintos ao longo de seu extenso comprimento através de um
sistema que foi projetado e instalado, para operar como endpoint, um circuito
eletrônico sem qualquer conexão física externa capaz de capturar todos esses dados
através de sensores e enviá-los para um gateway. Este, por sua vez, tem o papel de
controlar toda esta arquitetura, capturando informações e enviando-as para um banco
de dados na nuvem, chamado Firebase Realtime Database. Este banco de dados será
consumido por um aplicativo mobile desenvolvido em Flutter, onde o agricultor poderá
averiguar em tempo real conectado à internet os valores de cada variável, além de um
histórico gráfico dos últimos sete dias, demonstrando a média dos valores a cada hora
do dia.
Palavras-chave: Comunicação LoRa, Dark House, Enpoint, Firebase Realtime
Database, Aplicativo Mobile Flutter.
ABSTRACT
This work proposes the development of a system for monitoring variables through low
power wireless communication technology LoRa, applied in a Dark House model
aviary, in the city of Nova Bréscia / RS. The temperature, humidity and internal
luminosity of the aviary were monitored at three different points along its long length
through a system that was designed and installed, to operate as an endpoint, an
electronic circuit without any external physical connection capable of capturing all this
data through sensors and send them to a gateway. This, in turn, has the role of
controlling all this architecture, capturing information and sending it to a database in
the cloud, called Firebase Realtime Database. This database will be consumed by a
mobile application developed in Flutter, where the farmer will be able to find out in real
time connected to the internet the values of each variable, in addition to a graphic
history of the last seven days, showing the average of the values every hour of the
year day.
Keywords: LoRa Communication, Dark House, Enpoint, Firebase Realtime Database,
Mobile Flutter Application.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Sistema de iluminação e divisórias. ......................................................... 19
Figura 2 – Sistema de ventilação em túnel nas laterias do galpão. ........................... 20
Figura 3 – Formato de mensagem transmitida. ......................................................... 24
Figura 4 – Arquitetura de rede LoRaWAN. ................................................................ 25
Figura 5 – Arquitetura interna das ligações de um microcontrolador ........................ 28
Figura 6 – Sensor analógico LDR (Light Dependent Resistor) .................................. 29
Figura 7 – Exemplo de formatação JSON. ............................................................... 32
Figura 8 – Telas visualmente agradáveis construídas em Flutter. ........................... 35
Figura 9 – Arquitetura do projeto com os diversos níveis de comunicação. ............. 37
Figura 10 – Diagrama elétrico dos endpoint’s instalados no Dark House. ................ 39
Figura 11 – Pinagem do microcontrolador Attiny85. .................................................. 40
Figura 12 – Módulo serial LoRa E32-915T20D. ........................................................ 41
Figura 13 – Software serial de configuração do LoRa Ebyte. ................................... 42
Figura 14 – Antena modelo rubber. ........................................................................... 43
Figura 15 – Sensor digital DHT11. ............................................................................ 45
Figura 16 – Esquema de ligação elétrica do gateway. .............................................. 46
Figura 17 – Placa de prototipagem ESP32 para a Internet das Coisas. ................... 47
Figura 18 – Protocolo de comunicação entre endpoint e gateway.. .......................... 48
Figura 19 – Montagem final do endpoint e gateway. ................................................. 52
Figura 20 – Montagem final dos dispositivos............................................................. 53
Figura 21 – Instalação dos endpoint’s no aviário Dark House................................... 55
Figura 22 – Console do Firebase Realtime Database. .............................................. 56
Figura 23 – Aplicativo LoRa Monitor. ........................................................................ 58
LISTA DE TABELA
Tabela 1 – Materiais utilizados no projeto. ................................................................ 51
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
A Ampère
ADC Analogic to Digital Converter (Conversor Analógico-Digital)
ARM Advanced RISC Machine (Máquina RISC Avançada)
B Byte
°C Graus Celsius
cm centímetros
CPU Central Processing Unit (Unidade Central de Processamento)
CRC Cyclic Redundancy Check (Verificação Cíclica de Redundância)
DAC Digital-to-Analog Converter (Conversor Digital-Analógico)
dBi ganho em decibéis
dBm decibel miliwatt
EP Enpoint (Ponto Final)
GaAs Arsenieto de Gálio
GB Gigabyte
GPD Ganho de Peso Diário
GPIO’s General Purpose Input/Output (Entrada / Saída de Uso Geral)
GPS Global Positioning System (Sistema de Posicionamento Global)
Hz Hertz
I2C Inter-Integrated Circuit (Circuito Inter-integrado)
IoT Internet of Things (Internet das Coisas)
I/O Input/Output (Entrada/Saída)
ITU Internacional Telecommunication Union (União Internacional das
Telecomunicações)
JSON JavaScript Object Notation (Notação de Objetos Javascript)
kB Quilobyte
kbps Quilobit por segundo
kg Quilogramas
km Quilômetro
LDR Light Dependent Resistor (Resistor Dependente de Luz)
LoRa Long Range (Longo Alcance)
LPWAN Low Power Wide Area Network (Rede de Baixa Potência de Área
Alargada)
lux luz
M Mega
mA miliampère
mAh miliampère hora
MB megabyte
MIPS Microprocessor without interlocked pipeline stages
mm milímetros
ms milissegundos
m/s Metros por segundo
mW milliWatts
NTC Negative Temperature Coefficient
ONU Organização das Nações Unidas
Ω Ohm
PVC Polyvinyl chlorid (Policloreto de vinil)
PWM Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso)
RAM Random Access Memory (Memória de Acesso Aleatório)
s segundos
SDK Software Development Kit (Kit de Desenvolvimento de Software)
SPI Serial Peripheral Interface (Interface Periférica Serial)
UART Universal Asynchrounous Receiver/Transmite
UI User Interface (Interface de Usuário)
µ micro
V Voltz
4G Quarta Geração
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................ 11
1.1 Definição do Problema .............................................................................. 13
1.2 Delimitação do Estudo............................................................................... 14
1.3 Objetivo ....................................................................................................... 14
1.3.1 Objetivo Geral .......................................................................................... 14
1.3.2 Objetivos Específicos ............................................................................. 14
1.4 Justificativa ................................................................................................ 15
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................... 16
2.1 Criação de Aves ......................................................................................... 16
2.1.1 Sistema Dark House................................................................................ 17
2.1.1.1 Iluminação Artifical .............................................................................. 18
2.1.1.2 Sistema de Ventilação (Pressão Negativa) ........................................ 19
2.1.1.3 Custos e Investimentos ....................................................................... 20
2.2 Sistema de transmissão sem fio ............................................................... 21
2.2.1 Espelhamento Espectral (Spread Spectrum) ....................................... 23
2.2.2 Comunicação LoRa ................................................................................. 23
2.2.2.1 Arquitetura de Rede LoRaWAN .......................................................... 25
2.3 Microcontrolador ........................................................................................ 27
2.4 Sensores ..................................................................................................... 29
2.4.1 Sensor Analógico ................................................................................... 29
2.4.2 Sensor Digital.......................................................................................... 30
2.4.2.1 Sensor Ultrassônico ............................................................................ 31
2.4.2.1 Sensor Temperatura e Umidade ......................................................... 31
2.4.2.1 Sensor de Efeito Hall ........................................................................... 31
2.5 Ferramentas Mobile ................................................................................... 32
2.5.1 Formatação JSON ................................................................................... 32
2.5.2 Firebase Realtime Database ................................................................... 33
2.5.3 Framework ............................................................................................... 34
2.5.3.1 Desenvolvimento Mobile Flutter .......................................................... 34
3 DESENVOLVIMENTO ..................................................................................... 36
3.1 Visão geral do sistema .............................................................................. 36
3.2 Endpoint’s ................................................................................................... 39
3.2.1 Microncontrolador Attiny85 ................................................................... 40
3.2.2 Módulo LoRa E32 .................................................................................... 41
3.2.2.1 Antenas ................................................................................................. 42
3.2.3 Sensores Digitais e Analógicos ............................................................. 43
3.2.3.1 Sensor de Temperatura e Umidade DHT11 ........................................ 43
3.2.3.2 Sensor analógico LDR ......................................................................... 44
3.3 Gateway ...................................................................................................... 45
3.3.1 NodeMCU ESP32 ..................................................................................... 46
3.4 Protocolo de comunicação ....................................................................... 47
3.5 Cálculo da vida útil da bateria ................................................................... 48
3.6 Custo do projeto ........................................................................................ 51
4 RESULTADOS ............................................................................................... 52
4.1 Arquitetura – Versão Inicial ....................................................................... 54
4.2 Arquitetura – Versão Atual ........................................................................ 54
4.3 Testes em campo ....................................................................................... 56
4.4 Banco de dados ......................................................................................... 56
4.5 Aplicativo LoRa Monitor ............................................................................ 57
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................ 59
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 61
1 INTRODUÇÃO
No atual cenário mundial, uma a cada nove pessoas no mundo (ou cerca de
820 milhões de pessoas) não tem comida suficiente para levar uma vida minimamente
saudável, de acordo com a Organização das Nações Unidas do Brasil (ONU, 2020).
As projeções de um crescimento populacional, do aumento do consumo per capita,
da expansão acelerada das cidades e das restrições no uso de terra nas próximas
décadas fazem cada vez mais presente o debate sobre uma possível incapacidade
de atender às necessidades humanas por alimentos (SAAHT; FACHINELLO, 2018).
Em 2019, a ONU apontou em um relatório um crescimento populacional de
aproximadamente 2 bilhões de pessoas nos próximos 30 anos, passando os atuais
7,7 bilhões de indivíduos para 9,7 bilhões em 2050. Esse crescimento populacional
deverá ser respondido principalmente pelos países como Índia, Nigéria, Paquistão,
República Democrática do Congo, Etiópia, Tanzânia, Indonésia, Egito e Estados
Unidos (em ordem decrescente de aumento esperado). Como exemplo, estima-se que
em 2027 a Índia irá superar a China como o país mais populoso do mundo.
Além desta expansão populacional, a concentração nas cidades e o
crescimento da renda deverão ampliar a demanda por alimentos. Porém, pelo lado da
oferta, o crescimento da fronteira agrícola é bastante restrito. De acordo com a FAO
(2013), a disponibilidade de áreas agrícolas está concentrada em poucos países,
cerca de 90 % presentes na África e na América Latina. Além do mais, países como
EUA e China não possuem mais novas áreas para a exploração agrícola.
12
Na América Latina, o Brasil encontra-se como um importante produtor mundial
de alimentos e com grande potencial de expansão da oferta, devido a sua localização
e um clima favorável para o sucesso da agricultura e pecuária, além da incorporação
crescente da tecnologia, fator este que alavancou significativamente a produtividade
no país (BAYER, 2019).
Segundo a Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa, 2018), o
Brasil é o maior exportador de frangos de corte para o mundo todo, com cerca de 3,68
milhões de toneladas ao ano, desbancando países desenvolvidos como Estados
Unidos, por exemplo. O maior comprador do mercado brasileiro vem sendo a China,
que somada a Hong Kong recebem cerca de 26,7 % de toda carne embarcada no
período de janeiro a março de 2020, aumentando em 8,7 % as exportações de frango
no Brasil, gerando uma receita de US$ 1.514,88 milhões de dólares (MENDES, 2020).
Olhando para o cenário nacional, o Rio Grande do Sul encontra-se na 3°
posição como maior produtor de frango com 12,51 %, estando atrás somente de seus
vizinhos Santa Catarina e Paraná, com 13,85 % e 31,92 % de produção,
respectivamente (Embrapa, 2018). As mesmas colocações são mantidas quando se
trata das exportações do Brasil. Fatores como qualidade, sanidade e preço
contribuíram para um aperfeiçoamento desta produtividade no setor. Segundo
Vasconcelos et.al. (2017), o Brasil buscou modernização e empregou instrumentos
como o manejo adequado do aviário, alimentação balanceada, melhoramento
genético e produção integrada. Dentro de um sistema produtivo é importante que o
primeiro elo da cadeia desenvolva os produtos considerando todos os elos
subsequentes, culminando com as demandas do consumidor final.
Com esse grande crescimento no mercado mundial de aves, observa-se a
necessidade de novos estudos sobre técnicas de alojamento e ambientes de criação
das aves, buscando um maior conforto, produtividade e eficiência. Como maneira de
vencer as demandas do mercado e sem perder a qualidade, tem-se instaurado novas
tecnologias de alojamento, como, por exemplo, o aviário do tipo Dark House, do inglês,
“casa escura”. Este modelo de aviário consiste na produção de frango de corte em
larga escala a partir da introdução de um alto nível de automatização do processo sem
a necessidade direta de um operador (TORTELI; ZAGO, 2017).
13
Torteli e Zago (2017) apontam ainda que este sistema Dark House reduz a
necessidade de mão de obra por conta do controle de temperatura e luminosidade de
forma automática, bem como permite a maior densidade de aves por metro quadrado
em melhores condições de climatização, influenciando diretamente na produtividade
e eficiência.
1.1 Definição do Problema
Diante da atual necessidade de modernização neste setor agrícola, está
surgindo um novo conceito na construção de modelos de aviário, chamado Dark
House. Uma tecnologia mais recente em frangos de corte no Brasil, porém bastante
utilizado há muito tempo em galpões de matrizes, sendo que em outros países já se
utiliza esta tecnologia há vários anos para a criação de aves (GALLO, 2009).
Gallo (2009) descreve ainda que um dos maiores benefícios está relacionado
com o menor gasto de energia para a manutenção das aves, disponibilizando esta
energia para o crescimento, consequência esta vinda do controle da luminosidade,
deixando as aves mais calmas, evitando dermatoses e permitindo uma menor
conversão alimentar e melhor GPD (Ganho de Peso Diário), trazendo assim um
melhor resultado zootécnico e maior retorno financeiro à empresa e produtores.
Com o isolamento das condições ambientais externas desfavoráveis, a
entrada de ar por uma extremidade do aviário, passando por um sistema de
resfriamento através de processo evaporativo e na exaustão controlada do ar através
de exaustores posicionados nas extremidades opostas às entradas, acaba por fim
refletindo em todos os parâmetros produtivos e econômicos da criação: ganho de
peso, redução da mortalidade, qualidade da carcaça e no custo da criação.
Sendo assim, uma ideia de implementação surgiu diante do cenário
apresentado: montar um sistema de monitoramento completo sobre um aviário Dark
House, em que seja possível verificar as variáveis à distância, além da criação de um
histórico por meios gráficos, tudo isso sendo visualizado diretamente no celular do
produtor em tempo real.
14
1.2 Delimitação do Estudo
Tendo em vista o propósito desta implementação definem-se os seguintes
fatores delimitantes do estudo: o projeto se restringe a área tecnológica, onde foi
projetado, instalado e analisado um sistema de monitoramento de dados em um
aviário de modelo Dark House, sendo que o período de execução ocorreu no segundo
semestre de 2020 e o sistema instalado em uma propriedade rural do município de
Nova Bréscia, estado do Rio Grande do Sul.
1.3 Objetivos
Os objetivos deste trabalho foram divididos em Geral e Específicos.
1.3.1 Objetivo Geral
Projetar, instalar e analisar um sistema de monitoramento de variáveis sobre
um aviário de modelo Dark House em uma propriedade rural do município de Nova
Bréscia a partir de uma tecnologia de transmissão por rádio frequência Lora.
1.3.2 Objetivos Específicos
• Monitorar as variáveis de trabalho de um Dark House, como
temperatura, umidade e luminosidade, por exemplo, avaliando a
qualidade e precisão;
• Desenvolver hardware e software de 3 protótipos de endpoint’s, com
comunicação por radiofrequência Lora e alimentação via bateria;
• Calcular o custo dos endpoint’s a partir da utilização de componentes
discretos;
• Instalar todas as camadas de controle partindo dos endpoint’s, gateway
e interface mobile, baseados no método Mestre-Escravo;
15
1.4 Justificativa
Grande parte dos produtores de frango que utilizam um Dark House, tem
interesse por um sistema de monitoramento principal e secundário por três principais
motivos: alto controle e monitoramento a partir de um sistema complexo; pelo
investimento altíssimo de um modelo Dark House, chegando na casa dos 500 mil a 1
milhão de reais; da possibilidade de perda de um lote de frango por falta de energia,
ou pela presença de alguma variável não ajustada conforme os padrões (ex:
temperatura excessiva), levando a morte total dos frangos em poucas horas.
A presença de um monitoramento com histórico por gráficos leva um maior
controle e entendimento de como o sistema trabalha devido as mudanças repentinas,
levando ao produtor um maior controle de todo o processo.
Em relação à Universidade, o estudo pode servir para outros acadêmicos que
buscam conhecimento na área da Industria 4.0 e da IoT (Internet of Things), pois o
projeto tende a apresentar um sistema completo de aplicação em campo,
interpretação e coleta de dados e conexão à rede via banco de dados em tempo real,
sendo capaz de reunir todas essas informações e exibi-las em um aplicativo mobile
desenvolvido como parte da proposta desse trabalho.
Neste capítulo foram abordados a definição dos problemas, a delimitação do
estudo, os objetivos gerais e específicos, bem como a justificativa do trabalho, ou seja,
a base para prosseguir com os demais tópicos do trabalho. O capítulo 2 apresenta o
referencial teórico necessário para o embasamento do projeto e de suas
funcionalidades. O capítulo 3 descreve o desenvolvimento do sistema, citando os
detalhes de cada parte do projeto e das tecnologias implementadas em cada estágio,
especificando, hardware e sensores escolhidos, descrição da comunicação Lora entre
os endpoint’s e o gateway, coleta e envio das informações ao banco de dados
Firebase e aplicação mobile utilizando a plataforma Flutter. O capítulo 4, apresenta os
resultados alcançados com a instalação já concluída e com o sistema em operação.
No capítulo 5, as considerações finais, bem como as sugestões para trabalhos futuros
na área.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este trabalho objetiva o desenvolvimento de uma solução de monitoramento
remoto para um sistema de aviário Dark House. Para tanto, a Revisão Bibliográfica
abordará conhecimentos específicos das áreas de programação de hardware e
programação mobile, eletrônica, comunicação por radiofrequência e controle mestre-
escravo. Primeiramente, este capítulo apresenta os conceitos de um sistema Dark
House e os principais componentes que farão parte do sistema de monitoramento de
dados.
2.1 Criação de Aves
Segundo Abreu (2000), a criação moderna de frangos de corte é uma
atividade que envolve elevados investimentos aos produtores brasileiros. O
planejamento da atividade torna-se primordial, pois o perfeito dimensionamento entre
as capacidades das granjas, fábrica de ração, incubatório, frigoríficos e transporte,
evita que se trabalhe com folga num seguimento e falta de espaço em outro. A
otimização da utilização da capacidade de todos estes segmentos é um dos fatores
de redução de custos.
Para tanto, a avicultura de corte passou por inúmeras transformações ao
longo de sua história até atingir o nível atual de modernidade. Vários modelos de
barracões foram implantados com intuito de minimizar os efeitos negativos dos fatores
climáticos sobre o desenvolvimento das aves, principalmente em um país tropical com
alta presença de umidade como o Brasil (TINÔCO, 2001).
17
A empresa Ageitec (2018) aponta que o aviário convencional é um dos
sistemas mais utilizados e numericamente o mais importante para a produção de
frango de corte, representando aproximadamente 98 % do segmento desta carne no
Brasil. Sua construção simples e funcional tem a finalidade de alojar as aves
propiciando um conforto e bem-estar. Recomenda-se uma construção com materiais
disponíveis na região, evitando custos elevados, como por exemplo madeira rústica
como o eucalipto. A direção do eixo maior do aviário deve ser leste/oeste em paralelo
com a orientação do Sol (ALBINO et.al. 2013).
Albino et. al. (2013), aponta ainda que o piso normalmente é de chão batido
em um terreno com uma boa drenagem. Acionadas por uma catraca manual, as
cortinas laterais normalmente são de PVC, lona ou fibra trançada, protegendo as aves
contra ventos e chuvas, facilitando assim o controle da temperatura interna do aviário,
uma das poucas variáveis controladas neste sistema. Vale ressaltar que qualquer
problema estrutural na instalação que resulte em situações inadequadas de
ventilação, renovação do ar, acúmulo de gases ou altas variações térmicas podem ser
consideradas fatores de risco para a criação de frangos de corte, diminuindo
consideravelmente os índices de produtividade.
2.1.1 Sistema Dark House
Trazido dos Estados Unidos, um sistema Dark House, ao contrário do sistema
convencional de aviário, controla parâmetros relevantes ao crescimento e
desenvolvimento dos animais, como a temperatura, umidade, ventilação e
alimentação, sendo através de painéis de comando, permitindo que se estabeleça um
ambiente interno com as condições ideais para o desenvolvimento das aves. Por estar
em um ambiente com temperatura amena, e com um sistema de iluminação
controlada a fim de acalmar as aves, o sistema acaba permitindo assim maior
densidade das aves por metro quadrado, menor conversão alimentar, redução na
mortalidade e no tempo de alojamento (FERREIRA, 2017).
18
O rendimento maior é atribuído especialmente à diminuição do estresse e da
agitação dos animais, proporcionada por uma temperatura corporal constante e
períodos mais longos de baixa luminosidade. O único contato de luz é feito pela
instalação de lâmpadas ao longo do galpão, que acaba estimulando os ciclos de
engorda e de vida das aves. Ao mesmo tempo, exaustores controlam a temperatura
e evitam gastos de energia desnecessários (MALLMANN, 2014). As tecnologias e os
equipamentos necessários para a estrutura de um sistema Dark House serão
apresentadas nas próximas seções.
2.1.1.1 Iluminação Artificial
A intensidade de luz influencia diretamente no comportamento do frango. Uma
iluminação mais intensa promove uma agitação e um aumento da atividade, enquanto
que uma iluminação mais amena pode ser eficaz na redução de comportamentos
agressivos nas aves alojadas. Para isso, existem 3 programas de luz caracterizados
pela duração e distribuição do fotoperíodo classificados como constante, intermitente
e crescente. Os programas de iluminação moderno iniciam com uma intensidade
contínua (20 lux) na primeira semana de vida dos frangos, sendo reduzida para 5 a
14 lux até os 21 dias do lote e, a redução até os 5 lux na fase final de criação. Caso
haja pouca iluminação no início do desenvolvimento e muita luz durante o período de
crescimento, o desempenho será diretamente afetado (ROSA, 2014).
A instalação da iluminação deve ser em linha reta, a cada 5 metros de largura
e a cada 6 metros de comprimento do aviário. O ideal é ter uma chave individual a
cada 3 lâmpadas para que o sistema se torne mais econômico até que toda área do
galpão esteja disponível e ocupada pelas aves. Deverá ser instalado um dimmer com
potenciômetro que permite a regulagem da intensidade luminosa juntamente com uma
rampa de retardo, na qual permite regular o tempo até que seja atingida a intensidade
de luz desejada, evitando um choque de luminosidade sobre as aves. Conforme a
Figura 1, o uso de pelo menos três divisórias no galpão é obrigatório, evitando a
migração das aves em função da luminosidade e da procura por melhor ambiência
causando má distribuição dos animais e na perda do desempenho (GALLO, 2009).
19
2.1.1.2 Sistema de ventilação (Pressão Negativa)
O sistema de ventilação em túnel é representado por exaustores instalados
nas laterais do aviário, restringindo assim a passagem de luz externa, arrastando
calor, umidade e gases, controlando a temperatura que não deve exceder os 30 °C.
Devem ser dimensionados em quantidade suficiente para fornecerem até 3 m/s de
velocidade de ar em momentos de calor extremo quando as aves se encontram na
fase adulta (GALLO, 2009). Um exemplo deste sistema pode ser visto na Figura 2.
Figura 1 - Sistema de iluminação e
divisórias.
Fonte: Autor, 2020.
20
Pela outra extremidade, as entradas de ar também devem seguir o mesmo
modelo de instalação lateral, providas de painel evaporativo com gotejamento de
água, a fim de reduzir a temperatura do ar na entrada do galpão. Elas devem ser
dimensionadas de acordo com a velocidade de ar requerida para não causar restrição
de ventilação e consequentemente aumento da pressão (GALLO, 2009).
A vedação também acaba sendo uma parte fundamental para que a
ventilação em túnel funcione de forma que o aquecimento seja eficiente e sem perdas.
Todas as entradas de ar devem ser completamente vedadas e as cortinas laterais e a
forração devem ser laminadas, garantindo uma montagem precisa para que não
fiquem frestas (GALLO, 2009).
2.1.1.3 Custos e Investimentos
Uma das principais vantagens na criação de aves em um Dark House está
associada ao carregamento de frangos com menores danos. Por possuir um controle
Figura 2 - Sistema de ventilação em túnel nas laterais do galpão.
Fonte: Adaptado de COLUSSI, 2014.
21
da luminosidade dentro do aviário, é possível carregar os frangos praticamente no
escuro, evitando, amontoamento, arranhões e a mortalidade. Vale ressaltar que a
maior vantagem em relação ao aviário convencional consiste na menor conversão
alimentar e na menor condenação no abatedouro por dermatoses provocadas por
arranhões (VIEIRA et.al. 2018).
Esta conversão alimentar é calculada a partir da divisão do consumo de ração
pelo ganho de peso. Na avicultura, o cálculo se baseia na quantidade de ração
consumida pelo lote, pelo seu peso, subtraindo, ou não, o peso no momento de
alojamento (FLAVIANA, 2015).
Com base em investimentos, os agricultores utilizam construções modais para
os seus projetos, onde cada modal conta com quatro Dark Houses, com uma estrutura
de aproximadamente 150 metros de comprimento e 16 metros de largura, podendo
alojar, no mínimo, 45 mil frangos para cada aviário. Este conjunto representa cerca de
R$ 3,5 milhões de reais por modal (agosto de 2016). Normalmente o formato de
alojamento é do tipo de corte, onde o produtor recebe os filhotes de aves com um dia
de vida e cuida da alimentação dos animais por um mês até a fase adulta quando
alcança o 1,5 kg de peso (ASCOM, 2016).
Segundo a ASCOM (2016), como exemplo, os agricultores da Região dos
Vales no Rio Grande do Sul têm como parceiro a Brasil Foods (BRF), localizada em
Lajeado, onde ocorre o abate do animal e a transformação em produtos de prateleira
para o mercado nacional e internacional. Com essa parceria, o produtor custeia o
financiamento viabilizado pela empresa integradora e fica responsável por oferecer a
maravalha, cavaco, energia elétrica e a mão de obra, enquanto a BRF fica responsável
por fornecer as aves, a ração e a assistência técnica necessária.
2.2 Sistema de transmissão sem fio
O sistema de transmissão sem fio envolve 3 principais elementos: transmissor
(origem), canal (meio) e o receptor (destino). A transmissão de informações de
equipamentos eletrônicos, como aparelhos celulares, por exemplo, é feita pela
22
propagação de ondas eletromagnéticas por um meio, seja este o espaço, conhecidas
como ondas de rádio (SEAL TECHNOLOGIES, 2003).
Ainda conforme SEAL (2003), na transmissão de rádio, o sinal necessita ser
modulado, amplificado e enviado por uma antena a uma determinada faixa de
frequência. A modulação consiste num processamento, na qual a onda portadora é
gerada, e tem um de seus parâmetros alterados em função da informação que se
deseja transmitir, que pode ser a amplitude, fase e frequência da onda.
A capacidade de transmissão entre dois meios de comunicação depende
diretamente da sua frequência de operação. As diversas frequências disponíveis
estão dispostas em faixas, ou também conhecidas como bandas de frequências.
Quanto maior for o volume de informações a ser transmitido, maior deverá ser a
largura de banda alocada (SEAL TECHNOLOGIES, 2003).
SEAL (2013) completa ainda que com essa demanda excessiva de meios de
comunicação sem fio, foi necessário estabelecer acordo nacionais e internacionais de
padronização para a alocação das frequências. Com isso, foram estabelecidas
regulamentações sobre a alocação do espectro de frequências. Em âmbito mundial,
quem regulariza o espectro de frequências é o ITU (Internacional Telecommunication
Union). No Brasil, a Anatel (Agência Nacional de Telecomunicações) representa a
entidade responsável pela definição e fiscalização da utilização das faixas de
frequências no território nacional.
Segundo documento oficial da Anatel (2017), o plano de atribuição,
destinação e distribuição de frequências no Brasil está voltado de forma não licenciada
há aplicações com Radioamadores, Radiolocalização, Móvel (exceto móvel
aeronáutico) e Fixo, para uma faixa de 915 Mhz.
Segundo TELECO (2020), com o intuito de evitar a sobrecarga de solicitações
de licença nos órgãos reguladores, bem como simplificar a utilização de RF (Rádio
Frequência) por aplicações específicas, criou-se a forma de uso não-licenciado do
espectro. Assim, equipamentos de radiação restrita dispensam a necessidade de
autorização pela baixa potência empregada, não causando interferência em outros
sistemas de rádio frequência.
23
2.2.1 Espelhamento Espectral (Spread Spectrum)
O espelhamento espectral é uma tecnologia na qual a energia média do sinal
transmitido é espalhada sobre uma largura de faixa de frequência muito maior do que
a largura de faixa que contém a informação. Trata-se especialmente de uma técnica
de codificação para transmissão digital de sinais desenvolvida originalmente para
utilização militar, com o objetivo de transformar a informação transmitida em um sinal
semelhante a um ruído, evitando monitoração pelos adversários (TELECO, 2020).
Segundo o autor, a técnica consiste em codificar e modificar o sinal
executando seu espelhamento no espectro de RF, viabilizando uma transmissão de
dados via rádio com alta confiabilidade e com taxas de transmissões cada vez
maiores. O emprego desta técnica justifica especialmente para aplicações de uso não-
licenciado do espectro, uma vez que as faixas utilizadas apresentam grande
quantidade de sinais interferentes.
2.2.2 Comunicação LoRa
LoRa (do inglês - Long Range: Longo Alcance), é uma tecnologia de rede de
comunicação sem fio criada pela Semtech Corporation e promovida através da LoRa
Alliance, uma associação aberta e sem fins lucrativos, da qual fazem parte grandes
companhias ao redor do mundo, nas quais possuem interesses no desenvolvimento
e na aplicação da rede LoRa na Internet das Coisas (IoT - Internet of Things)
(TEIXEIRA; ALMEIDA, 2017).
A criação desta aliança foi iniciada pelos líderes industriais do mercado da
tecnologia destacando as áreas da tecnologia da informação, automação industrial,
telecomunicações, entre outras, que tem como missão padronizar as redes de
comunicação de grandes áreas e baixa potência LPWAN (Low Power Wide Area
Network) para implantar as tecnologias da Internet das Coisas em cidades inteligentes
e aplicações industriais em todos os países (TEIXEIRA; ALMEIDA, 2017).
A Semtech (2020) explica que o LoRa é uma tecnologia por rádio frequência
que permite a comunicação e transmissão de dados por longas distâncias com o
24
consumo mínimo de energia. Sua técnica de modulação de espectro de dispersão é
derivada da tecnologia Spread Spectrum, gerando maior segurança e confiabilidade
aos dados transmitidos. Os dispositivos LoRa possuem papel importante na resolução
de problemas como gerenciamento de energia, redução de recursos naturais, controle
de poluição, eficiência de infraestrutura, prevenção de desastres naturais, etc. Existem
casos conhecidos de aplicação voltados especialmente para as cidades inteligentes,
casas e edifícios inteligentes, agricultura, medição, assim como a cadeia de
suprimentos e a logística. Dentre seus principais recursos podem-se destacar:
• Conexão com dispositivos em até 48 km de distância em áreas rurais
em campo aberto;
• Energia mínima, com uma vida útil da bateria prolongada em até 10
anos;
• Apresenta criptografia AES1281 de ponta a ponta com autenticação
mútua, proteção de integridade e confidencialidade;
• Permite aplicativos de rastreamento por GPS, mantendo a
comunicação com dispositivos em movimento sem sobrecarregar o
consumo de energia;
A modulação LoRa pode ser utilizada para o envio de dados de forma
customizada, porém a Semtech especificou um formato definido para facilitar a
conexão entre transmissores e receptores, conforme a Figura 3.
1 O Advanced Encryption Standard (AES) é uma cifra de bloco simétrica escolhida pelo governo dos
EUA para proteger informações classificadas. O AES128 usa um comprimento de chave de 128 bits
para criptografar e descriptografar um bloco de mensagens. Quanto maior o comprimento da chave,
maior será o nível confidencial da informação, disponível também em 196, e 256 bits (ROUSE, 2020).
Figura 3 - Formato da mensagem transmitida.
Fonte: Adaptado de Semtech, 2016.
25
O preâmbulo tem a função de sincronizar o receptor durante a chegada de
dados. Em seguida, tem-se o cabeçalho, que dependerá do modo (explícito ou
implícito) escolhido:
• Explícito: É o modo padrão de operação do cabeçalho, fornecendo
informações sobre o tamanho da mensagem de dados, o CR e CRC
(Cyclic Redundancy Check – verificação cíclica de redundância) do
payload, além de detectar possíveis cabeçalhos falsos;
• Implícito: Neste modo o cabeçalho fica ausente para reduzir o tempo
de transmissão quando os dados, a taxa de codificação e CRC são
conhecidos e fixos;
Por fim, o payload é o campo destinado aos dados codificados, sendo uma
mensagem de tamanho variável de 2 a 255 bytes (MEDEIROS, 2018).
2.2.2.1 Arquitetura de Rede LoRaWAN
A arquitetura de rede apresentada pela LoRa Alliance (2015) é ilustrada na
Figura 4. Sua topologia é do tipo estrela, cuja característica é de possuir diversos
dispositivos conectados a um gateway que recebe e manipula todas as informações
recebidas.
Figura 4 - Arquitetura de Rede LoRaWAN.
Fonte: Adaptado de LoRa Alliance, 2015.
26
Podem-se destacar os dispositivos finais (módulos), conhecidos como End-
Devices, ou End-Nodes ou ainda End-Points, que são sensores ou atuadores que
utilizam a tecnologia LoRa para se comunicarem aos servidores de rede por meio dos
gateways, com comunicação bidirecional (transmite e recebe dados), possuindo
diversas aplicações e requisitos de acordo com o projeto (LoRa Alliance, 2015).
Ainda segundo a LoRa Alliance (2015), o gateway forma a ponte necessária
para interconectar os End-Points aos servidores de rede. Um gateway irá receber a
informação de diversos dispositivos finais assim como também um gateway pode
receber dados de apenas um único End-Point. Já os servidores de rede são
responsáveis por fazer o gerenciamento e filtragem dos pacotes de informações
redundantes, checando a segurança dos dados vindas do gateway, e armazenando
as informações de forma confidencial e organizada. Por fim, os pacotes de dados
gerenciados pelos servidores podem ter uma destinação específica, como os serviços
de aplicação, por exemplo, ligado diretamente ao usuário final que interage com as
informações demonstradas pelo servidor ou para o setor de logística da empresa que
controla toda a rede a distância.
Em aplicações reais, a arquitetura LoRaWAN junto da tecnologia de
comunicação LoRa puderam proporcionar experiências satisfatórias para projetistas
que implementaram este modelo de sistema.
Segundo Leandro Laporta (2018), Diretor de Arquitetura de Soluções e
Parcerias para a América Latina, a empresa Orange Business Services implementou
para o torneio de tênis de Roland Garros, diversas redes para 4G e conexão IoT.
Neste último caso, foi utilizada a tecnologia LoRa, que teve o papel de melhorar a
experiência dos torcedores. Sensores foram instalados em tapetes nas entradas das
quadras possibilitando aos organizadores do evento entender melhor o fluxo de
visitantes em tempo real, número de pessoas em cada uma das 17 quadras e
disponibilidade de assentos para acomodar as pessoas. O diretor aponta ainda outros
exemplos, como uma grande companhia norte-americana que utilizou a rede LoRa
para monitorar seus bens como empilhadeiras e caminhões dentro e fora de seus mais
de 5km de túneis, pelos quais faz transporte de material.
27
2.3 Microcontrolador
O microcontrolador representa um circuito integrado e encapsulado o qual
possui internamente, uma unidade lógica e aritmética, periféricos de entradas e
saídas, temporizadores, memórias, contadores, comunicação, conversores
analógicos digitais, além de diversas outras características dependendo do modelo,
fabricante e necessidade do projeto. Tem como principal objetivo controlar um
processo complexo de forma lógica a partir da execução de tarefas denominadas
instruções com extrema rapidez e precisão (PENIDO; TRINDADE, 2013).
Uma de suas principais vantagens está agregada na diminuição e
complexidade dos circuitos eletrônicos, facilitando a manutenção e gerenciamento de
tarefas internas de aparelhos eletrônicos, seja este de pequeno, médio ou grande
porte (NETO; MONTEIRO; QUEIROGA, 2012). Outra grande vantagem deste circuito
integrado é a sua possibilidade de programação, o que o torna adaptável à finalidade
desejada, possibilitando seu ajuste de acordo com a tarefa que deverá executar
(ASSIS, 2004).
Assis (2004) explica ainda os diversos periféricos que formam um
microcontrolador. Uma das partes é a memória, cuja função é armazenar e guardar
dados de forma volátil ou não-volátil. Já a unidade central de processamento (CPU)
trabalha com registros que são locais de memória com o papel de ajudar na execução
de tarefas como operações matemáticas, por exemplo. Essa memória e a CPU são
conectadas pelo BUS (barramento) de endereço e o BUS de dados. Pelo lado externo,
um bloco que localiza o BUS as linhas de saídas do microcontrolador são chamadas
de Port’s, podendo ser tanto de entrada como de saída.
Complementando a arquitetura interna do microcontrolador, pode-se citar a
unidade de comunicação em série (envio e recebimento de dados simultâneos), a
unidade de temporização, de watchdog e conversores analógicos/digitais para se
trabalhar com diversos sensores do mercado (ASSIS, 2004).
A Figura 5 representa a interconexão dos periféricos principais de um
microcontrolador.
28
Figura 5 - Arquitetura interna das ligações de um microcontrolador.
Fonte: Adaptado de ASSIS, 2004.
29
2.4 Sensores
Segundo Wendling (2010), sensor é um termo empregado para designar
componentes sensíveis à alguma forma de energia do ambiente que pode ser
luminosa, térmica, cinética, etc., relacionando informações sobre uma grandeza física
que necessita ser mensurada (medida) como: temperatura, pressão, velocidade,
corrente, distância, aceleração, posição, entre outras.
O autor comenta ainda que este dispositivo nem sempre tem as
características elétricas necessárias para ser utilizada em um sistema de controle.
Normalmente o sinal deve passar por uma manipulação inicial antes que a leitura seja
enviada para um microcontrolador, realizada normalmente por um circuito de interface
de comparação e amplificação de um sinal que possa ser lido de forma precisa e
confiável. Dentro deste campo, pode-se dividir o modelo de sensores em 2 campos
principais:
2.4.1 Sensor Analógico
Este modelo de sensor pode assumir qualquer valor em seu sinal de saída ao
longo do tempo, desde que esteja dentro da sua faixa de operação. Algumas
grandezas podem assumir qualquer valor como: temperatura, pressão, umidade,
vazão, força, entre outras. Essas variáveis são mensuradas e convertidas de forma
proporcional sobre a diferença de potencial alimentada pelo sensor. Um exemplo de
sensor analógico pode ser visto na Figura 6:
Figura 6 - Sensor analógico LDR (Light Dependent Resistor).
Fonte: Autor, 2020.
30
Conforme Braga, os sensores LDRs (Light Dependent Resistor) são resistores
sensíveis a intensidade luminosa, apresentando uma resistência ao circuito elétrico
muito alta no escuro, chegando na ordem de muitos mega Ω (ohms), se reduzindo a
algumas dezenas ou centenas de Ω quando é iluminado diretamente, conforme
aponta a Figura 6.
A superfície sensível deste componente é formada por uma substância
denominada Arsenieto de Gálio (GaAs) a qual apresenta a propriedade de alterar a
sua resistência em função da luz incidente. Quando os fótons (partículas de luz)
atingem o material, conseguem por sua vez liberar elétrons do componente
aumentando ou diminuindo sua resistividade. Com maior quantidade de elétrons livres
o material apresentará menor resistência e vice-versa. Essa variação é obtida com
diferentes graus de iluminação e a corrente máxima que o componente possa
suportar, dependendo diretamente da superfície de contato com os eletrodos do
material, e também da área exposta à luz. Sendo assim, o LDR, conforme a Figura 6
anterior, demonstra a utilização de dois eletrodos em forma de “pente” que se
interpenetram obtendo-se com isso uma grande superfície de contato com o material
fotossensível, afirma Braga.
2.4.2 Sensor Digital
Este modelo de sensor pode assumir apenas dois valores no seu sinal de
saída ao longo do tempo, que podem ser interpretados como sendo 0 ou 1. Não há
naturalmente grandezas físicas atuantes que assumem estes valores, mas eles
podem ser assim mostrados ao sistema de controle convertidos pelo circuito eletrônico
do transdutor2. Sua utilização passa por detecção de objetos, encoders3 na
determinação de distância e velocidade, por exemplo.
2 Transdutor é um aparelho que converte um sinal de uma forma física em outra correspondente. No
transdutor, uma quantidade de entrada é diferente da quantidade de saída. Sinais típicos de entrada
podem ser de caráter elétrico, mecânico, térmico ou óptico, por exemplo (NUNES et. al. 2017).
3 Encoder é um sensor eletromecânico cuja funcionalidade é transformar a posição do eixo de um motor
em um sinal elétrico digital (ALTUS, 2019)
31
2.4.2.1 Sensor Ultrassônico
Seguindo os mesmos princípios do sonar dos morcegos, o sistema
ultrassônico tem como princípio de funcionamento a emissão de uma onda sonora na
casa dos 40 kHz de frequência. Essa onda por sua vez é emitida e refletida pelo objeto
presente em sua frente resultando em um eco de resposta, na qual é convertido em
sinais elétricos. A detecção desse eco vai depender exclusivamente da intensidade
da onda sonora e da distância entre o sensor e o objeto (BALLUFF, 2018).
2.4.2.2 Sensor Temperatura e Umidade
Segundo IOPE (2020), este sensor digital conta com dois circuitos internos. O
sensor de umidade é capacitivo, sua constante dielétrica varia conforme a umidade
relativa do ar, enquanto que o sensor de temperatura é um termistor NTC, isto é, um
resistor sensível as variações de temperatura. Em seu encapsulamento existe um
microcontrolador que faz as medições e transmite os valores em um formato digital
através de um pino de saída externa do sensor com um nível de precisão conforme a
qualidade do produto. Sua precisão pode variar 5 % tanto para umidade como para
temperatura, com um range de medição entre 20 % a 80 % para a umidade e 0 °C a
50 °C para a temperatura.
2.4.2.3 Sensor de Efeito Hall
O sensor de efeito Hall é caracterizado pelo efeito do resultado da força de
Lorentz no movimento de elétrons sujeitos a um campo magnético. Quando na
presença de um fluxo de corrente em um material que não está exposto a um
campo magnético, as linhas equipotenciais que cruzam perpendicularmente este
fluxo, são linhas retas. Agora quando este mesmo fluxo está sujeito a um material
com um campo magnético perpendicular, o seu ângulo Hall é alterado e as linhas
equipotenciais acabam sendo inclinadas, e isso resulta em uma tensão de Hall
medida ao longo do material (CASSIOLATO, 2003).
32
2.5 Ferramentas Mobile
Para a criação e desenvolvimento de um projeto mobile (aplicativo para
celulares), é importante levar em consideração todos os periféricos que serão
necessários para atender a demanda lógica do sistema, como por exemplo, um banco
de dados para salvar conteúdos importantes, conexão com servidores externos para
alimentar o aplicativo com informações necessárias, integralidade com demais
softwares de compartilhamento, acesso à internet ou comunicação bluetooth, assim
como a plataforma necessária para a construção e depuração do aplicativo, seja ele
para Android, iOs, ou multiplataforma.
2.5.1 Formatação JSON
O JSON (JavaScript Object Notation) consiste em um formato de intercâmbio
de dados aberto baseado em texto baseada em pares de valores-chave e listas
ordenadas que fornece uma troca padronizadas de informações entre sistemas. A
Figura 7 apresenta um exemplo de formatação JSON.
Figura 7 - Exemplo de formatação JSON.
Fonte: Adaptado de Freeman, 2019.
33
A estrutura de exemplo na Figura 7 define os atributos de uma pessoa. Este
formato recebe parâmetros de valores do tipo string, int, bool, listas, objetos e nulos.
Essa estrutura no futuro poderá passar para um servidor web ou aplicação mobile,
executando ações como exibir os dados ou salvá-los (FREEMAN, 2019).
2.5.2 Firebase Realtime Database
O Firebase é uma plataforma da Google que contém diversas ferramentas
com uma excelente infraestrutura para auxiliar desenvolvedores web e mobile a criar
aplicações de alta complexidade com uma ótima qualidade e desempenho. Uma de
suas ferramentas principais é o Realtime Database, do inglês, um banco de dados em
tempo real, onde é possível armazenar os dados como JSON e sincronizá-los na
nuvem (FIREBASE, 2019).
A empresa descreve que com este banco de dados é possível criar aplicativos
avançados e colaborativos, ao conceder acesso seguro diretamente ao código do
usuário. Os dados do banco são mantidos localmente e, mesmo estando off-line, os
eventos em tempo real continuam sendo acionados, proporcionando uma experiência
responsiva ao usuário final. Quando o dispositivo recupera a conexão com a internet,
o Realtime Database sincroniza novamente as alterações feitas nos dados locais com
as atualizações remotas que ocorreram enquanto o usuário estava off-line, evitando
automaticamente qualquer conflito.
O Realtime Database fornece ainda uma linguagem de regras flexíveis
baseadas em expressão, denominadas regras de segurança, definindo como os
dados serão estruturados e quando podem ser lidos e gravados. Por meio da
integração com o Firebase Authentication, os desenvolvedores podem definir quem
poderá ter acesso, a quais dados e como esses dados podem ser acessados pelos
clientes.
34
2.5.3 Framework
Um framework, de modo geral, é um modelo de códigos para uma função
específica necessária ao desenvolvimento de outros softwares, ou seja, uma
ferramenta que une códigos comuns e diversas bibliotecas para que o desenvolvedor
não necessite programar um código novo para funções que já existem. São
funcionalidades prontas aos programadores, que servem de base para a criação de
novos projetos, gerando maior produtividade e eficiência ao economizar tempo e
cortar custos (GAEA, 2019).
2.5.3.1 Desenvolvimento Mobile Flutter
Desenvolvido pela Google em 2017, o framework multiplataforma conhecido
como Flutter é um Software Development Kit (SDK) para desenvolvimento mobile,
capaz de criar aplicativos tanto para Android e iOS com apenas um único código
através da linguagem Dart, sendo muito similar a C# e Java, compilando código nativo
para ARM e x86 (FLUTTER, 2019).
Diferente do React Native que possui um intermediário entre a User Interface4
(UI) e o dispositivo, o Flutter fica na camada do UI e não chama os componentes
nativos, sendo desenhado diretamente em um canvas que aumenta o desempenho e
fluidez a nível de um aplicativo criado exclusivamente para aplicação nativa
(SANTANA, 2019).
4 User Interface (UI), do inglês, um design da interface do usuário, é um processo de criação de
interfaces em software ou dispositivos computadorizados, com foco na aparência ou no estilo,
permitindo uma experiência prazerosa e de fácil manuseio pelos usuários (FOUNDATION).
35
O autor descreve ainda que este SDK é capaz de criar interfaces
personalizadas, animações, com uma facilidade para acessar os recursos do
aparelho, como geolocalização e galeria, por exemplo, conforme a Figura 8 abaixo.
O Flutter tem como objetivo fornecer uma estrutura e ferramentas para criar
experiências de usuário sem comprometer nenhum dispositivo ou fator de forma. Este
mecanismo oferece um desenvolvimento rápido com recarga a quente (atualização
em milissegundos) com estado e desempenho rápido na produção com compilação
nativa, podendo estar em execução tanto para aplicações mobile, como também para
web e desktop (FLUTTER, 2019).
O seu fluxo de desenvolvimento é orientado ao design e aos widgets, que são
blocos de interface de usuário de um aplicativo Flutter, sendo capaz de definir
elementos estruturais (botões, menus...), elementos de estilo (fontes, cores...),
aspectos de layouts (margens, espaçamentos...), além de widgets com design
específico para a plataforma Android (Material Components) e iOS (Cupertino). Os
widgets formam uma hierarquia no formato árvore, onde cada composição de widgets
irá herdar as propriedades do widget superior, ou widget pai, como é comumente
chamado na comunidade Flutter (CORAZZA, 2018).
Figura 8 - Telas visualmente agradáveis construídas com Flutter.
Fonte: Adaptado de FIVERR, 2020.
3 DESENVOLVIMENTO
Este trabalho teve como finalidade o desenvolvimento e instalação de um
sistema de monitoramento de dados utilizando a comunicação por radiofrequência
LoRa, em um aviário de modelo Dark House localizado no interior do município de
Nova Bréscia/RS. O aviário pertence à família Betti em Linha Olinda, onde possuem
mais de sete Dark Houses em sua totalidade, investimento que chegou na casa dos
oito milhões de reais. A intenção da família é instalar em breve mais quatro aviários,
se tornando um dos maiores produtores de frango de corte da América Latina. Os
frangos produzidos pela família vão direto para os Emirados Árabes, fator este que dá
mais importância ainda no segmento e qualidade de todo o processo de produção.
3.1 Visão geral do sistema
O sistema desenvolvido contempla um conjunto de três dispositivos endpoint’s
que monitoram variáveis do aviário Dark House (temperatura, umidade e
luminosidade), comunicando-se via LoRa com um gateway instalado nas
proximidades do Dark House, o qual envia as informações para um banco de dados
Firebase via WiFi. As informações podem ser acessadas em tempo real pelo produtor
no seu smartphone, através de uma aplicação mobile desenvolvida em Flutter.
A Figura 9 apresenta um diagrama do sistema implementado, identificando os
componentes desenvolvidos, os quais são descritos a seguir.
37
F
ig
u
ra
9
-
A
rq
u
it
e
tu
ra
d
o
p
ro
je
to
c
o
m
o
s
d
iv
e
rs
o
s
n
ív
e
is
d
e
c
o
m
u
n
ic
a
ç
ã
o
.
F
o
n
te
:
A
u
to
r,
2
0
2
0
.
38
A captação de dados das variáveis dentro do aviário foi implementada através
de três endpoint’s instalados no interior do Dark House (Itens A,B e C na Figura 9),
dispostos proporcionalmente ao longo do seu extenso comprimento, constituídos por
um microcontrolador, bateria de lithium, controlador de carga para a bateria, rádio
LoRa e sensores, além de componentes discretos que incrementam o circuito elétrico
interno.
O gateway (Item D na Figura 9) obtém um pacote de informações referentes
aos sensores dos endpoint’s, a partir do recebimento de dados pela comunicação sem
fio LoRa incrementada tanto nos endpoint’s como no gateway. Esses dados
posteriormente são analisados e enviados para o banco de dados já em um formato
específico, declarando qual endpoint enviou os dados, e qual o dia da semana e o
horário do envio. O gateway está instalado em uma sala centralizada do lado externo
do aviário onde estão dispostos os painéis elétricos que comandam o Dark House, em
conjunto com um roteador Wifi com acesso à internet. A distância do gateway em
relação aos endpoint’s é de aproximadamente 100 metros para os dispositivos A e C,
e em torno de 15 metros para o dispositivo B.
O banco de dados (Item E na Figura 9) armazena individualmente a leitura
atual dos sensores de cada endpoint, assim como a média da leitura a cada hora do
dia em um histórico dos últimos 7 dias, a fim de alimentar um gráfico no aplicativo de
usuário, onde o produtor pode verificar e comparar a mudança de temperatura ao
longo da semana, por exemplo, verificando alguma possível falha ou má eficiência no
sistema de forma rápida.
Por fim, a interface de usuário é caracterizada por uma aplicação mobile (Item
F na Figura 9) onde o agricultor poderá visualizar em tempo real as medições de
temperatura, umidade e luminosidade interna do Dark House em 3 pontos distintos ao
longo de seu comprimento. Estes dados são atualizados no intervalo de 1 minuto para
cada endpoint, desde que o usuário tenha acessa à internet.
As seções a seguir apresentam as características do desenvolvimento dos
dispositivos aqui apresentados.
39
3.2 Endpoint’s
Os endpoint’s tem como principal objetivo enviar os dados de luminosidade,
temperatura, umidade do Dark House para o gateway. A construção, apresentada na
Figura 10, tem como principal pilar a intenção de gastar o mínimo de energia possível
para enviar estes dados para o gateway sem qualquer conexão física externa,
possibilitando assim instalá-los em qualquer lugar que for desejável, de forma rápida
e eficiente, bastando apenas estar dentro da área de comunicação do rádio LoRa.
.
Vale ressaltar que todos os componentes do circuito devem preferencialmente
trabalhar com pouca drenagem de corrente, afim de consumir o mínimo de energia
possível da bateria. Para isso, a escolha ideal de cada modelo de componentes é
crucial para o sucesso do projeto, pois de nada adianta um endpoint ser alimentado
via bateria, sendo que um sensor, microcontrolador ou até mesmo um modelo de rádio
LoRa utilizado no circuito, acabe consumindo toda a energia em poucos dias. Nas
próximas seções serão apresentados os componentes que fazem parte da construção
dos endpoint’s.
Figura 10 - Diagrama elétrico dos endpoint's instalados no Dark House.
Fonte: Autor, 2020.
40
3.2.1 Microcontrolador Attiny85
Responsável por controlar o endpoint, o Atmel Attiny85 é um microcontrolador
CMOS de 8 bits de baixa potência baseada na arquitetura RISC, aprimorada do AVR.
Executando diversas instruções em um único ciclo de clock, o chip alcança
rendimentos próximos a 1 MIPS por MHz, permitindo ao projetista do sistema otimizar
o consumo de energia versus a velocidade de processamento. Fabricado usando uma
tecnologia de memória não volátil de alta densidade da Atmel, a flash ISP On-Chip
permite que a memória de programa seja reprogramada no sistema através de uma
interface serial SPI, por um gravador de memória não volátil convencional ou por um
código de inicialização On-Chip em execução no núcleo AVR (MICROCHIP, 2013). A
Figura 11 apresenta a pinagem do microcontrolador Attiny85.
Segundo o datasheet do fabricante, pode-se destacar os devidos recursos:
• Possui um clock interno de 1 a 8 MHz, podendo chegar a uma
frequência de operação máxima de até 20 MHz com a adição de um
cristal externo;
• Contém 6 pinos digitais de I/O, podendo ser 4 de canais analógicos
ADC, 3 canais PWM de 8 bits e 2 timers;
• Memória de programa de até 8 kB, com uma RAM de dados de 512 B;
• Resolução do conversor analógico digital ADC de 10 bits;
• Tensão de alimentação de 2.7 V à 5.5 V (clock <= 10 MHz);
• Possui uma dimensão de 3.3 mm de altura, 9.27 mm de comprimento
e 6.35 mm de largura, ideal para projetos pequenos e enxutos;
Figura 11 - Pinagem do microcontrolador Attiny85.
Fonte: Adaptado de MICROCHIP, 2020.
41
3.2.2 Módulo LoRa E32
Para a comunicação LoRa do endpoint com o gateway, foi utilizado o módulo
serial (UART) sem fio E32-915T20D da empresa chinesa Chengdu Ebyte Eletronic
Technology, mais conhecida como Ebyte. Este dispositivo, apresentado na Figura 12,
é baseado no chip LoRa® da Semtech SX1276, trabalhando em uma frequência na
faixa de aproximadamente 915 MHz.
Figura 12 – Módulo serial LoRa E32-915T20D.
•
•
•
•
•
De acordo com o datasheet, este modelo possui uma potência de transmissão
de 20 dBm (100 mW), com uma sensibilidade de recepção de até -146 dBm. A
distância de teste pode alcançar os 3 km com uma taxa de dados pelo ar de 2.4 kbps,
em área aberta e clara, na potência máxima, com uma antena com ganho de 5 dBi, e
em uma altura de pelo menos 2 metros. Em soma, um dos principais pontos positivos
deste módulo é o baixo consumo de energia, ideal para aplicações a bateria.
Apresenta um dreno de corrente de 120 mA para transmissão de dados, 14 mA para
recepção de dados, e 4 µA no modo stand-by. Possui 7 pinos externos designados
para a configuração, transmissão/recepção de dados e alimentação (M0, M1, RXD,
TXD, AUX, VCC, GND). A placa pode operar com uma tensão entre 2.3 V a 5.2 V. Os
pinos M0 e M1 podem apresentar 4 modos distintos de operação de acordo com o
seu nível lógico, podendo ir desde a transmissão transparente, até o modo sleep onde
recebe os parâmetros de configuração. Os pinos RXD e TXD representam a UART de
Fonte: Adaptado de EBYTE, 2019.
42
entrada e saída de dados, e o pino AUX indica o estado de funcionamento do módulo
(EBYTE, 2019).
Outro fator importante deste rádio é na sua facilidade de configuração inicial.
A empresa disponibiliza um software serial onde é possível alterar diversos
parâmetros de trabalho do rádio LoRa, conforme a Figura 13 a seguir:
Para o projeto, todos os rádios estão no mesmo canal (915 Mhz), ou seja, no
parâmetro “Channel”, é colocado o valor 15. Vale ressaltar que este modelo de rádio
tem um range de trabalho de 900 a 931 Mhz, ou seja, pode-se ter até 31 canais
diferentes, para cada canal a frequência de operação é alterada em 1 Mhz. Já no
endereço coloca-se um valor único para aquele rádio pois o projeto está trabalhando
na transmissão fixa.
A transmissão fixa, ou do inglês “Fixed mode”, está habilitada nos rádios do
projeto. Com este parâmetro acionado, ao transmitir um pacote de dados, deve-se
necessariamente colocar por primeiro o endereço e canal do rádio de destino na forma
Figura 13 - Software serial de configuração do LoRa Ebyte.
Fonte: Ebyte, 2020.
43
hexadecimal, protocolo de comunicação este muito similar ao Modbus. Com este
modo de operação, é garantido que o endpoint transmita seus dados e apenas o
gateway irá receber de forma segura, evitando assim que os demais endpoint’s
gastem energia desnecessária recebendo informações de outros endpoint’s,
consumindo assim bateria e deixando a arquitetura ineficiente.
Dentre tantos parâmetros, vale destacar também a taxa de comunicação
serial (9600 bps), no microcontrolador esta taxa deve ser respeitada, ou seja, deve
ser igual.
3.2.2.1 Antenas
As antenas são parte fundamental para o sucesso na transmissão de dados
entre os rádios de baixa potência LoRa. Para o projeto adquiriu-se um modelo de
antena de baixo custo e de alta qualidade, conforme apresenta a Figura 14.
Também fabricado pela empresa Ebyte, na Figura 14 pode ser visto a antena
junto ao rádio LoRa em conjunto com o módulo E15-USB-T2 de fácil conexão com o
computador, dedicado para a configuração do rádio, facilitando assim a comunicação
Fonte: Autor, 2020.
Figura 14 - Antena modelo rubber.
44
do mesmo com o software serial, possibilitando fazer os primeiros testes de pacotes
de dados simulados através de terminais seriais.
De acordo com o datasheet do módulo LoRa E32 da Ebyte, existe uma tabela
com algumas antenas recomendadas para se resultar em uma boa comunicação entre
os rádios. O modelo de antena escolhido apresenta um ganho de saída de
aproximadamente 2.5 dbi, com um casamento de impedância entre o rádio de 50 Ω,
trabalhando em uma frequência próxima dos 915 MHz. Por ser de um modelo “rubber”,
utilizada em roteadores WiFi, apresenta uma altura de 11 cm, com um conector do
tipo fêmea SMA-J que facilita a conexão com o módulo (CDSENET, 2020).
3.2.3 Sensores Digitais e Analógicos
Os sensores utilizados no projeto envolvem tanto sensores digitais como
sensores analógicos de baixo custo, comprovando o funcionamento do sistema.
3.2.3.1 Sensor de Temperatura e Umidade DHT11
O sensor DHT11 (Figura 15) é um sensor de temperatura e umidade que
permite fazer leituras que apresentam um range de 0 °C a 50 °C de temperatura e
umidade entre 20 a 90 %, com uma faixa de precisão 2 °C e 5 % (GAMA, 2016). Por
ser de baixo custo, este sensor não apresenta uma precisão em casas decimais após
a vírgula, porém a intenção do projeto não era essa, logo este sensor trabalhou muito
bem no circuito do endpoint, pois com apenas 1 entrada digital consegue-se as 2
informações de temperatura e umidade.
A envio da leitura de dados feita pelos sensores internos se dá a partir de 5
segmentos de 8 bits (40 bits). Os dois primeiros bytes correspondem à umidade
relativa na forma decimal. O terceiro e quarto byte formam a temperatura em graus
Celsius na forma decimal, e o último byte é o checksum dos dados, responsável pela
soma de verificação dos dados enviados pelo sensor.
45
Figura 15 - Sensor digital DHT11.
Fonte: Adaptado em 12/06/2020 de
https://www.filipeflop.com/produto/sens
or-de-umidade-e-temperatura-dht11/.
3.2.3.2 Sensor Analógico LDR
O sensor analógico LDR (Light Dependent Resistor) tem o papel de controlar
a intensidade luminosa no Dark House. Para o projeto utilizou-se um LDR de 10 mm
e 2 LDR’s de 5 mm, encontrados no varejo. Ambos os tamanhos funcionaram de forma
satisfatória. No circuito do microcontrolador, a sua leitura analógica é convertida em
porcentagem de 0 a 100 % proporcional a intensidade luminosa do ambiente.
3.3 Gateway
O gateway (Figura 16) tem o papel de capturar os dados de cada endpoint,
verificar se os mesmos estão em formatação correta, identificando quem está
enviando estes dados, para no fim transmitir essas informações ao banco de dados
na nuvem. O gateway trabalha como ouvinte, esperando os dados serem recebidos
em um intervalo de tempo definido pelos próprios endpoint’s. Para tanto, foi
configurado uma diferença no tempo de transmissão dos dispositivos para que não
ocorra conflito de pacote de dados sendo transmitidos ao mesmo tempo, evitando
assim a perda da informação de algum endpoint em específico.
46
Este sistema envolverá um alto processamento de dados, logo necessita-se
de um microcontrolador robusto para a função. Para tanto, foi definido o uso de uma
placa que apresenta dois núcleos de processamento e uma conexão com a internet
via WiFi. Na próxima seção será apresentado o microcontrolador utilizado que
comanda todo o sistema automatizado do gateway, em conjunto com as suas
especificações técnicas.
3.3.1 NodeMCU ESP32
Responsável pelo gateway do sistema, o ESP32 (Figura 17) é uma placa de
prototipagem comumente projetada para aplicativos móveis, eletrônicos portáteis e
para a Internet das Coisas. Sua arquitetura consiste em um microprocessador dual
core Tensilica Xtensa 32-bit LX6 com suporte embutido à rede Wifi, Bluetooh e com
memória flash integrada. Possui baixo consumo de potência e trabalha com o gasto
de energia de forma dinâmica e inteligente, podendo estar em modo stand-by e ser
acordado somente quando uma condição específica for detectada (ESPRESSIF,
2020).
Figura 16 - Esquema de ligação elétrica do gateway.
Fonte: Autor, 2020.
47
Segundo o datasheet do fabricante, pode-se destacar os devidos recursos:
• Dois núcleos de CPU controlados de forma independente com
frequência de clock ajustável, variando de 80 MHz à 240 MHz;
• Saída de +19,5 dBm na antena garantindo uma boa faixa de
comunicação
• Corrente de stand-by inferior a 5 μA, sendo adequado para aplicações
eletrônicas alimentadas por bateria, fornecendo 3.3 V para a placa;
• Integra 16 MB de memória flash com 36 GPIO’s, sendo 18 ADC e 2
DAC;
3.4 Protocolo de comunicação
A criação de um protocolo de comunicação robusto entre os dispositivos é de
grande importância para o sucesso do projeto. Uma das intenções iniciais refere-se
na legitimidade do pacote de informações, forçando a arquitetura a analisar apenas
uma única vez os dados transmitidos provenientes dos endpoint’s, verificando o
tamanho da mensagem, quem está enviando estes dados, se os valores da leitura
dos sensores estão de acordo com o range de trabalho dos mesmos, para que ao final
ocorra o processamento e armazenamento no banco de dados com segurança.
Figura 17 - Placa de prototipagem ESP32 para a Internet das Coisas.
Fonte: Adaptado de FilipeFlop, 2020.
48
O formato da mensagem recebida pelo gateway através dos endpoint’s pode
ser visto na Figura 18.
De acordo com a Figura 18, o tamanho da mensagem é padronizado em 10
caracteres sobre quaisquer circunstâncias, levando em consideração principalmente
a leitura dos sensores. As 3 primeiras letras (EPA) representam o endpoint
responsável pelo envio do pacote de dados, seguida por 6 dígitos, divididos em 2
dígitos para cada sensor presente no dispositivo.
Os 2 primeiros números referem-se a leitura da temperatura (25), seguida pela
leitura da umidade (70) e após pela leitura da luminosidade (46), finalizando pelo
caracter terminador (X), identificando que a mensagem chegou ao seu final.
Quando algum sensor apresenta um valor menor que 10, o sistema
automaticamente acrescenta mais um zero à esquerda (00), evitando que o tamanho
da mensagem perca o seu padrão original, garantindo uma transmissão de qualidade.
3.5 Cálculo da vida útil da bateria
Na era da Internet das Coisas, os dispositivos que utilizam bateria para a sua
alimentação são facilmente instalados em diversos lugares, pois são pequenos,
robustos e de fácil manuseio, influenciando diretamente no sucesso do projeto. No
final das contas, o que todas estas aplicações têm em comum é a necessidade de
aumentar a vida útil da bateria para diminuir despesas, melhorar a experiência e
Figura 18 - Protocolo de comunicação entre endpoint e gateway.
Fonte: Autor, 2020.
49
apresentar uma boa eficiência a partir do desenvolvimento de hardwares e softwares
adequados para dispositivos de baixa potência (RODHE & SCHWARZ, 2020).
Para o projeto, o cálculo da vida útil da bateria seguiu uma fórmula de previsão
levando em consideração alguns parâmetros de consumo de corrente através do
tempo em que os endpoint’s ficam operando e no tempo em que se encontram no
modo “sleep”, momento em que o dispositivo entra em modo suspensão a fim de
economizar o máximo possível da bateria de lithium. Este cálculo foi necessário a
partir de uma mudança da arquitetura do projeto na qual será detalhada nas próximas
seções.
Segue os parâmetros necessários para o cálculo:
• C – Capacidade depreciada da bateria, normalmente representa 85 %
da capacidade fornecida pelo fabricante (mAh);
• As – Corrente consumida pelo dispositivo durante o sono (mA);
• Aw – Corrente consumida pelo dispositivo quando acordado (mA);
• Aavg – Corrente média (mA);
• Wph – Número de despertares por hora;
• Wt – Duração de um único despertar (ms);
• Twph – Tempo desperto (s);
• Tsph – Tempo de sono (s);
Twph = Wph ∗ Wt Tsph = 3600 − Twph
𝐴𝑎𝑣𝑔 =
(𝐴𝑤 ∗ 𝑇𝑤𝑝ℎ) + (𝐴𝑠 ∗ 𝑇𝑠𝑝ℎ)
3600
𝐷𝑖𝑎𝑠 =
(
𝐶
𝐴𝑎𝑣𝑔
)
24
Os parâmetros de corrente consumida durante o sono e a corrente consumida
quando acordado foram retirados a partir da medição de multímetros de modelo
Minipa ET-1002 e Minipa ET-1110 DMM. O tempo em que o dispositivo acorda,
captura a leitura dos sensores e transmite os dados pelo rádio LoRa, foi capturado a
partir de um osciloscópio de modelo Tektronix TDS2012. Já para a bateria de lithium,
50
segundo o fabricante, a mesma fornece uma corrente de saída de aproximadamente
2200 mAh.
Definido no trabalho, o intervalo de tempo em que um endpoint transmite,
entra em modo sleep, acorda e volta a transmitir novamente é de 1 minuto, logo, no
intervalo de 1 hora, ocorrem 60 despertares (Wph). No consumo de corrente, em modo
acordado quando o endpoint está transmitindo dados, mediu-se 105 mA (Aw), e
quando estava em modo suspensão, mediu-se 154 µA (As). O tempo que o dispositivo
leva para acordar e transmitir os dados é de aproximadamente 15 ms (Wt), tempo
esse capturado pelo osciloscópio a partir da verificação de inúmeras transmissões.
Com todos os dados obtidos, realizaram-se os devidos cálculos:
𝐶 = 2200 ∗ 0,85 = 𝟏𝟖𝟕𝟎𝒎𝑨𝒉
𝑇𝑤𝑝ℎ = 60 ∗ 0,015 = 𝟎, 𝟗𝐬 𝑇𝑠𝑝ℎ = 3600 − 0,9 = 𝟑𝟓𝟗𝟗, 𝟏𝒔
𝐴𝑎𝑣𝑔 =
(105 ∗ 0,9) + (0,154 ∗ 3599,1)
3600
= 𝟎, 𝟏𝟖𝟎𝟐𝟏𝟏𝟓𝒎𝑨
𝐷𝑖𝑎𝑠 =
(
1870
0,1802115
)
24
≅ 𝟒𝟑𝟐 𝒅𝒊𝒂𝒔
Como pode-se verificar pelos cálculos, a estimativa da vida útil da bateria gira
em torno de aproximadamente 432 dias até a próxima recarga, o que foi considerado
um ótimo resultado. Vale considerar no cálculo a depreciação de 85 % da bateria a
fim de obter um resultado o mais fidedigno possível, pois as baterias de lithium
retiradas de sucata em sua maioria não conseguem fornece toda a sua capacidade
definida pelo fabricante. Para o projeto as baterias foram retiradas de packs de
baterias de notebook já descartados.
51
3.6 Custos do projeto
Afim de se obter uma base dos custos que um projeto deste tamanho
necessita, foi elaborada a Tabela 1, evidenciando os gastos realizados de todos os
materiais necessários para a montagem da arquitetura.
Tabela 1 - Materiais utilizados no projeto.
Como pode ser visto na Tabela 1, a maior parte do custo é relativa à
comunicação LoRa, em conjunto com a antena e o módulo E15 para configuração,
representando cerca de 51 % dos gastos do projeto. Em modo comparativo, foi
pesquisado algum dispositivo IoT que se aproximasse ao construído no projeto. Pelo
site Alibaba, Tzone Digital Technology Co., Ltd. anuncia um dispositivo LoRa Sensor
afim de monitorar temperatura e umidade por um preço de US$ 48,00 dólares, ou R$
262,01 reais convertidos na cotação atual (US$ 1,00 = R$ 5,46). No projeto, o valor
de apenas um único endpoint chegou ao custo de R$ 113,14, desconsiderando o custo
de mão de obra e engenharia para programação, desenvolvimento e montagem do
sistema elaborado (TZONE DIGITAL, 2020).
Item Preço
Rádio LoRa Ebyte (4un.) R$ 135,84
Antenas Rubber (4un.) R$ 55,28
E15-UBS-T2 (2un.) R$ 45,74
Sensor DHT11 (3un.) R$ 45,70
Caixas Patola (4un.) R$ 40,70
Microcontrolador Attiny85 (3un.) R$ 30,65
Placa esp32 (1un.) R$ 26,86
Controlador TP4056 (3un.) R$ 27,60
Bateria lithium 18650 (3un.) R$ 20,00
Sensor Luminosidade LDR (3un.) R$ 12,60
Componentes Discretos (14un.) R$ 17,03
TOTAL R$ 458,00
Fonte: Autor, 2020.
4 RESULTADOS
Afim de se comprovar o funcionamento da arquitetura desenvolvida, foram
realizados primeiramente testes em ambiente controlado, analisando principalmente
a qualidade da comunicação e a vida útil da bateria inserida nos endpoint’s. Na Figura
19 é possível verificar a montagem final dos dispositivos do projeto.
Figura 19 - Montagem final do endpoint e gateway.
Fonte: Autor, 2020.
53
A montagem final feita em caixa patola deixou o trabalho muito robusto e
profissional, assegurando o circuito eletrônico de qualquer impureza e umidade
externa, além de ficar extremamente leve e compacto.
Inicialmente os endpoint’s foram construídos em placa perfurada padrão,
especialmente por não saber com exatidão o tamanho e posição que cada
componente iria ocupar dentro da caixa plástica. Após feita a primeira montagem, foi
elaborada então uma placa de circuito eletrônica dedicada e confeccionada, como
demonstra a Figura 19 anterior na imagem do endpoint (esquerda), deixando o circuito
livre de qualquer má conexão elétrica ou mecânica.
O gateway na Figura 19 (direita) ocupou um espaço exato pelo tamanho
disponível utilizando a placa de prototipagem ESP32 NodeMCU. Na Figura 20 é
possível ver a montagem completa do projeto.
Figura 20 - Montagem final dos dispositivos.
Fonte: Autor, 2020.
54
Como foi declarado nas seções anteriores, a arquitetura do projeto passou por
transformações após a análise da vida útil da bateria. Nas seções a seguir será
detalhado o modo de funcionamento da comunicação dos endpoint’s com o gateway.
4.1 Arquitetura – Versão Inicial
Em sua primeira versão, a arquitetura do projeto se baseava no sistema
Mestre-Escravo, onde o gateway era considerado o mestre e os endpoint’s os
escravos, enviando a leitura dos sensores a partir do recebimento de requisições
vindas do mestre. Esta requisição concebia um intervalo de 5 segundos até o próximo
endpoint, dando tempo suficiente para que o gateway receba a resposta de retorno,
analisando a mensagem, e enviando os valores para o banco de dados.
Para este sistema, os endpoint’s ficavam sempre em modo de
funcionamento, pois para receber a requisição, a comunicação serial entre o LoRa e
microcontrolador deveria estar sempre ativada, o que acabou culminando na baixa
eficiência da bateria, apesar do modelo de comunicação ter respondido de forma
satisfatória. Para os testes iniciais, a recarga da bateria foi necessária após 4 dias,
tornando a arquitetura inviável.
4.2 Arquitetura – Versão Atual
Na versão atual, uma análise do consumo de corrente foi elaborada afim de
prolongar o tempo de recarga da bateria, como foi demonstrado na seção 3.5. Agora
a arquitetura não se baseia no sistema Mestre-Escravo, tendo em sua versão atual o
gateway operando apenas como ouvinte, onde os endpoint’s enviam a leitura dos
sensores de tempos em tempos, intercalados entre si. Este intervalo é de
aproximadamente 1 minuto, ou seja, cada endpoint envia os valores 60 vezes em 1
hora. Durante o período de 1 minuto, 15 ms são dedicados para a transmissão dos
dados, e o resto do tempo o endpoint entre em modo suspensão, economizando o
máximo possível de energia da bateria, prolongando o tempo de recarga de 4 dias
para 432 dias, conforme calculado na seção 3.5.
55
Para evitar que dois ou mais endpoint’s enviem um pacote de informações
simultaneamente para o gateway, intercalou-se um tempo de 20 segundos entre cada
dispositivo para evitar uma possível colisão de informações. Vale ressaltar que para
um projeto deste modelo, componentes de baixo consumo de energia são os mais
visados, além de possuírem um modo de suspensão, este presente tanto pelo
microcontrolador Attiny85 como o rádio LoRa E32 da Ebyte.
4.3 Testes em campo
A instalação e os testes realizados no aviário em Nova Bréscia/RS se
mostraram bastante eficientes e seguros, sem apresentar quaisquer problemas na
configuração de rede WiFi para o gateway e alcance de sinal por parte do rádio LoRa.
Como o range do rádio é de aproximadamente 3 quilômetros em campo aberto, para
um aviário de 200 metros a tecnologia de comunicação sem fio não apresentou falhas
mesmo tendo que atravessar paredes para enviar os sinais para o gateway. A Figura
21 apresenta a instalação dos dispositivos dentro do Dark House.
Figura 21 - Instalação dos endpoint's no aviário Dark House.
Fonte: Autor, 2020.
56
4.4 Banco de dados
O Firebase Realtime Database, por apresentar uma biblioteca de fácil
utilização com a placa ESP32, fez com que as consultas e inserções no banco fossem
de fácil manuseio, além de apresentar um ambiente de fácil visualização dos dados
sendo atualizados, separados por heranças, formatação esta vinda do modelo JSON.
A Figura 22 apresenta o console do banco de dados utilizado no projeto.
Como este banco de dados tem plano gratuito e plano pago, vale a pena
analisar a quantidade de informações que serão armazenadas e consumidas pelo
banco durante o mês, para que se tenha um controle da transferência de dados e não
fuga do plano gratuito. Para o projeto, o tamanho do banco é dinâmico, ou seja, tem-
se um histórico dos últimos 7 dias da semana, que vai sendo apagado e atualizado
com informações mais recentes, conforme o passar do tempo.
Figura 22 - Console do Firebase Realtime Database.
Fonte: Autor, 2020.
57
A hospedagem fornece no plano gratuito um armazenamento de até 1 GB de
dados, onde foi consumido no projeto em média cerca de 7,4 kB de pico. Os
downloads são fornecidos até 10 GB/mês, sendo consumido próximo dos 300 MB de
dados, contando com sobrecarga de protocolo de conexão e de criptografia. Para esta
taxa de transferência, analisou-se uma intensidade de download de em média
aproximadamente 10,7 MB durante cada dia do mês.
Foi utilizada uma biblioteca que permite o acesso a integração do Firebase
com a placa NodeMCU ESP32. Com funções variadas, é possível jogar diversos tipos
de dados para o banco com a tag “SET”, desde Int, Float, Double, Bool, String, JSON,
Array, Blob e File. Essas funções ainda retornam um valor booleano, indicando o
sucesso da operação se todas as condições necessárias forem correspondidas. O
mesmo vale para funções que necessitam recuperar dados armazenados no banco
utilizando a tag “GET”. Sendo assim, a placa ESP32 pode trabalhar como um gateway¸
jogando dados recebidos do endpoint para um servidor Firebase localizado na nuvem
(SUWATCHAI, 2019).
4.5 Aplicativo LoRa Monitor
A versão final do aplicativo mobile desenvolvido e disponibilizado ao produtor,
permite o monitoramento em tempo real da umidade, temperatura e luminosidade
interna do Dark House nos diferentes endpoint’s, além da visualização do histórico da
média a cada hora do dia dos últimos 7 dias da semana, podendo comparar diferentes
datas da semana de forma gráfica e de fácil visualização.
O aplicativo ainda disponibiliza o último horário de atualização dos endpoint’s,
podendo checar de forma direta se os dispositivos estão se comunicando
normalmente, ou se algum problema ocorreu durante o funcionamento do sistema,
seja por falta de energia ou internet por parte do gateway, ou por algum problema
elétrico ou do rádio LoRa por parte dos endpoint’s, ou até mesmo a descarga da
bateria. A Figura 23 apresenta o aplicativo sendo executado em um dispositivo físico.
58
No aplicativo é possível visualizar separadamente as variáveis de
temperatura, umidade e luminosidade, assim como também verificar os dias
anteriores de leitura da semana, e ainda comparar um dia da semana com outro de
interesse, verificando as diferenças de leitura entre os dias em questão.
O gráfico em barras é totalmente animado, sendo possível deslizar para os
lados visualizando as leituras armazenadas a cada hora do dia, além de poder ampliar
ou reduzir o gráfico, dando uma perspectiva mais dinâmica, podendo visualizar assim
um maior intervalo de tempo.
Figura 23 - Aplicativo LoRa Monitor.
Fonte: Autor, 2020.
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho apresentou o desenvolvimento de um sistema de
monitoramento de variáveis, através da tecnologia de comunicação sem fio de baixa
potência LoRa, aplicado em um aviário de modelo Dark House, no interior da cidade
de Nova Bréscia/RS, partindo da utilização de conhecimentos adquiridos na
graduação em diferentes áreas, como elétrica, eletrônica e programação
computacional.
Apesar dos sensores serem de baixo custo e não apresentarem grande
precisão, os endpoint’s se mostraram bastante eficazes no trabalho proposto e
corresponderam com uma alta eficiência na comunicação a partir do rádio LoRa. O
microcontrolador escolhido foi um grande acerto, foram usadas todas as suas portas
digitais e analógicas disponíveis, consumindo o melhor que o chip da Atmel possa
oferecer através de suas variadas funções internas.
Para o gateway no projeto, a placa ESP32 também foi uma ótima escolha, de
baixo custo e com dois núcleos em seu processamento de informações, a integração
com o banco de dados a partir de uma conexão via WiFi foi extremamente satisfatória,
com um tempo de resposta próximo de 1 segundo até a atualização dos dados com o
Firebase.
De forma geral, a arquitetura com os seus diferentes níveis de comunicação
se mostrou muito eficiente a partir da qualidade e segurança na transmissão dos
dados capturados no interior do Dark House, gerando informações importantes em
tempo real para o produtor com um acesso remoto a qualquer lugar do mundo a partir
da conexão com a internet.
60
Tendo em vista que o sistema pode ser aprimorado, através da aquisição de
componentes com custo mais elevado, permitindo assim o monitoramento de
informações com maior precisão, como sugestões para trabalhos futuros, algumas
melhorias que podem ser implementadas são:
• Substituir os sensores do projeto por sensores de alta precisão que
apresente valores com casas decimais;
• Utilizar baterias de lithium novas, pois no projeto foram retiradas de sucata
a partir de baterias velhas de notebooks, logo o desempenho do endpoint
será muito melhor, com um alto tempo de recarga;
• Utilizar o chip ESP32 ao invés da placa de prototipagem NodeMCU,
deixando o gateway mais compacto, dedicando uma placa eletrônica
específica para tal finalidade;
• Alterar o microcontrolador Attiny85 por outro similar da família com uma
quantidade maior de entradas e saídas com o intuito de introduzir um
oscilador externo, fazendo com que o tempo de sono e tempo acordado
tenha uma maior precisão;
• Alterar o modelo do rádio LoRa E32-915T20D para E32-915T30D para
um alcance ainda maior no envio do pacote de informações, aumentando
os 3 km de distância para 8 km, alterando a potência de saída de 100 mW
para 1 W conforme a necessidade.
• Implementar um endpoint (EPD) para a leitura do funcionamento do
sistema de refrigeração do Dark House, já implementado no aplicativo.
• Implementar um endpoint (EPE) para realizar a leitura do nível do
reservatório de caixas d’água, já implementado no aplicativo.
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABREU. Planejamento de Aviários Para Criação De Frangos De Corte.
EMBRAPA, 2000. Disponível em: <
https://ainfo.cnptia.embrapa.br/digital/bitstream/item/58354/1/CUsersPiazzonDocume
nts262.pdf>. Acesso em: 16 maio 2020.
ALBINO; BASSI; SAATKAMP; LORENZET. Construção de Aviário para Produção
de Frangos de Corte em Sistemas Alternativos em Pequena Escala.
AVICULTURA, 2013. Disponível em:
<https://pt.engormix.com/avicultura/artigos/construcao-aviario-producao-frangos-
t38316.htm>. Acesso em: 19 maio 2020.
ALTUS. O que é e quando devo utilizar um encoder. ALTUS, 2019. Disponível em:
<https://www.altus.com.br/post/242/o-que-e-e-quando-devo-utilizar-um-encoder-3F>.
Acesso em: 26 maio 2020.
ANATEL. PLANO DE ATRIBUIÇÃO, DESTINAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE
FREQUÊNCIAS NO BRASIL. ANATEL, 2017. Disponível em:
<https://www.anatel.gov.br/Portal/verificaDocumentos/documento.asp?numeroPublic
acao=347196>. Acesso em: 24 maio 2020.
ASCOM. Agricultor investe mais de R$ 10 milhões para construir 12 aviários no
interior. REGIÃO DOS VALES, 2016. Disponível em: <
http://www.regiaodosvales.com.br/agricultor-investe-mais-de-r-10-milhoes-para-
construir-12-aviarios-no-interior/>. Acesso em: 19 maio 2020.
ASSIS. Microcontrolador. UNIPAC, 2004. Disponível em:
<https://www.unipac.br/site/bb/tcc/tcc-f6cceedfa3f6307211208b80c790c6e3.pdf>.
Acesso em: 14 abril 2020.
ATMEL. Atmel 8-bit AVR Microcontroller with 2/4/8K Bytes In-System
Programmable Flash. MICROCHIP, 2013. Disponível em
<http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-2586-AVR-8-bit-
Microcontroller-ATtiny25-ATtiny45-ATtiny85_Datasheet.pdf>. Acesso em: 18 abril
2020.
62
BALLUFF. Sensor ultrassônico: como ele funciona e de que modo pode ajudar a
sua indústria. BALLUF, 2018. Disponível em: <https://balluffbrasil.com.br/sensor-
ultrassonico-como-ele-funciona-e-de-que-modo-pode-ajudar-a-sua-industria/>.
Acesso em: 30 maio 2020.
BAYER. Brasil que produz: como o país se tornou uma potência agrícola.
BAYER, 2019. Disponível em:
<https://www.bayerjovens.com.br/pt/materia/?materia=brasil-que-produz-como-o-
pais-se-tornou-uma-potencia-agricola>. Acesso em: 03 abril 2020.
BRAGA. LDR (ALM332). INSTITUTO NCB. Disponível em:
<https://www.newtoncbraga.com.br/index.php/almanaque-tecnologico/201-l/7547-ldr-
alm332>. Acesso em: 20 abril 2020.
CASSIOLATO. Sensor Hall - A tecnologia dos Posicionadores Inteligentes de
última geração. SMAR TECHNOLOGY COMPANY. Disponível em:
<https://www.smar.com/brasil/artigo-tecnico/sensor-hall-a-tecnologia-dos-
posicionadores-inteligentes-de-ultima-geracao>. Acesso em: 31 maio 2020.
COLUSSI, JOANA. Sistema americano aumenta produção de aves. GauchaZH,
2014. Disponível em: <https://gauchazh.clicrbs.com.br/economia/campo-e-
lavoura/noticia/2014/11/Sistema-americano-aumenta-producao-de-aves-
4644602.html>. Acesso em: 12 abril 2020.
CORAZZZA. Um aplicativo multiplataforma desenvolvido com Flutter e NoSQL
para o cálculo da probabilidade de apendicite. LUME, 2018. Disponível em:
<https://lume.ufrgs.br/handle/10183/190147>. Acesso em: 26 abril 2020.
CDSENET. Antena magnética do conector 915 mhz da antena TX915-XP-100 sma
do ganho alto do ufh de 2 pces 915 mhz wifi antena para uma comunicação sem
fio. CDSENET, 2020. Disponível em:
<https://pt.aliexpress.com/item/32793435854.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.5085b9
0azBDuKB>. Acesso em: 13 junho 2020.
CDSENET. 4 TX915-JK-11 CDSENET pçs/lote 915MHz Omni High Gain Wifi
Antena SMA Macho uhf Antena Para O Módulo de rf. CDSENET, 2020. Disponível
em:
<https://pt.aliexpress.com/item/32793435854.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.5085b9
0azBDuKB>. Acesso em: 13 junho 2020.
EBYTE. E32-915T20D. EBYTE, 2019. Disponível em:
<http://www.ebyte.com/en/product-view-news.aspx?id=131>. Acesso em: 12 abril
2020.
EMBRAPA. Maiores produtores mundiais de carne de frango. Embrapa, 2018.
Disponível em: <https://www.embrapa.br/suinos-e-
aves/cias/estatisticas/frangos/mundo>. Acesso em: 03 abril 2020.
63
EMBRAPA. Maiores produtores nacionais de carne de frango. Embrapa, 2018.
Disponível em: <https://www.embrapa.br/suinos-e-
aves/cias/estatisticas/frangos/brasil>. Acesso em: 03 abril 2020.
ESPRESSIF. ESP32 SERIES Datasheet. ESPRESSIF, 2020. Disponível em:
<https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_datasheet_en.pd
f>. Acesso em: 14 abril 2020.
Fao statistical yearbook 2013 world food and agriculture. Food and Agriculture
Organization of the United Nations, Rome p. 307, 2013. Disponível em:
<http://www.fao.org/3/i3107e/i3107e00.htm>. Acesso em: 03 abril 2020.
FERREIRA, JACQUELINE. Ambiência e Consumo de Energia em Galpões Dark
House para Criação de Frangos de Corte: Uso de Diferentes Tipologias e
Materiais de Fechamento Lateral. UFLA, 2017. Disponível em:
<http://repositorio.ufla.br/bitstream/1/13412/3/DISSERTA%C3%87%C3%83O_Ambi
%C3%AAncia%20e%20consumo%20de%20energia%20em%20galp%C3%B5es%2
0Dark%20house%20para%20cria%C3%A7%C3%A3o%20de%20frangos%20de%20
corte%3A%20uso%20de%20diferentes%20tipologias%20e%20materiais%20de%20f
echamento%20lateral.pdf>. Acesso em: 12 abril 2020.
FILIPEFLOP. Módulo Wifi ESP32 Bluetooh. FILIPEFLOP, 2020. Disponível em:
<https://www.filipeflop.com/produto/modulo-wifi-esp32-bluetooth/>. Acesso em: 14
abril 2020.
FIREBASE. Firebase Realtime Database. FIREBASE, 2019. Disponível em:
<https://firebase.google.com/docs/database?hl=pt-br]>. Acesso em: 25 abril 2020.
FLAVIANA. Avaliação do efeito de variáveis produtivas na conversão alimentar
de frangos de corte. UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS, 2015. Disponível em:
<https://files.cercomp.ufg.br/weby/up/442/o/2015003_Dissertacao_Flaviana_Lupatini.
pdf>. Acesso em: 14 novembro 2020.
FOUNDATION. User Interface (UI) Design. INTERACTION DESIGN FOUNDATION.
Disponível em: <https://www.interaction-design.org/literature/topics/ui-design>.
Acesso em: 26 abril 2020.
FIVERR. I will create best flutter UI for you. FIVERR, 2020. Disponível em:
<https://www.fiverr.com/miteshchodvadiy/best-flutter-ui-templates>. Acesso em: 31
maio 2020.
FLUTTER. Flutter: the first UI platform designed for ambient computing. Google
Developers, 2019. Disponível em:
<https://developers.googleblog.com/2019/12/flutter-ui-ambient-
computing.html?m=1>. Acesso em: 26 abril 2020.
FREEMAN. What is JSON? A better format for data exchange. INFOWORLD,
2019. Disponível em: <https://www.infoworld.com/article/3222851/what-is-json-a-
better-format-for-data-exchange.html>. Acesso em: 31 maio 2020.
64
GAEA. Entenda o que é Framework. GAEA. Disponível em:
<https://gaea.com.br/entenda-o-que-e-framework/>. Acesso em: 31 maio 2020.
GALLO, BERNARDO. Dark House: Manejo x desempenho frente ao sistema
tradicional. Avicultura, 2009. Disponível em:
<https://pt.engormix.com/avicultura/artigos/dark-house-manejo-t36773.htm>. Acesso
em: 04 abril 2020.
GAMA. Protótipo de Estação Controle de Temperatura e Umidade usando
Arduino. FACH Hortolândia, 2016. Disponível em: <http://conic-
semesp.org.br/anais/files/2017/trabalho-1000026319.pdf>. Acesso em: 20 abril 2020.
GITHUB. Built for Developers. GITHUB, 2020. Disponível em: <https://github.com/>.
Acesso em: 25 abril 2020.
IOPE. Princípio de Funcionamento. IOPE. Disponível em:
<http://www.iopeservice.iope.com.br/p_um_sens_b.php>. Acesso em: 30 maio 2020.
KOCHINSKI; GLOVASKI; CORDEIRO; LEITE. Aprendendo Física Através de
Sensor Ultrassônico. Sistema Olimpo. Disponível em:
<http://sistemaolimpo.org/midias/uploads/09426ee4ef80ff00957edea568cb064f.pdf>.
Acesso em: 20 abril 2020.
LAPORTA. LoRaWAN: a tecnologia que pode impulsionar a Internet das Coisas.
BUSINESS SERVICES, 2018. Disponível em: <https://www.orange-
business.com/br/blogs/lorawan-tecnologia-que-pode-impulsionar-internet-das-
coisas>. Acesso em: 26 maio 2020.
LORA ALLIANCE. A technical overview of LoRa® and LoRaWAN™. LORA
ALLIANCE, 2015. Disponível em:
<https://www.tuv.com/media/corporate/products_1/electronic_components_and_laser
s/TUeV_Rheinland_Overview_LoRa_and_LoRaWANtmp.pdf>. Acesso em: 25 maio
2020.
MEDEIROS. Desenvolvimento de um Sistema de Aquisição de Dados em Rede
Híbrida de Comunicação de uma Planta Hidráulica focado em LoRa. UFP, 2018.
Disponível em: <http://www.cear.ufpb.br/arquivos/cgee/TCC/TCC_-
_Emmanuel_Leite_de_Medeiros_-_Vers%C3%A3o_Final.pdf>. Acesso em: 25 maio
2020.
MENDES, CAROLINE. No acumulado do ano exportações crescem 8,7%.
Avicultura Industrial, 2020. Disponível em:
<https://www.aviculturaindustrial.com.br/imprensa/no-acumulado-do-ano-
exportacoes-crescem-87/20200403-104503-K359>. Acesso em: 04 abril 2020.
NAÇÕES UNIDAS BRASIL. Fome aumenta no mundo e atinge 820 milhões de
pessoas, diz relatório da ONU. Nações Unidas Brasil, 2020. Disponível em:
<https://nacoesunidas.org/fome-aumenta-no-mundo-e-atinge-820-milhoes-de-
pessoas-diz-relatorio-da-onu/>. Acesso em: 03 abril 2020.
65
NAÇÕES UNIDAS BRASIL. População mundial deve chegar a 9,7 bilhões de
pessoas em 2050, diz relatório da ONU. Nações Unidas Brasil, 2019. Disponível em:
<https://nacoesunidas.org/populacao-mundial-deve-chegar-a-97-bilhoes-de-pessoas-
em-2050-diz-relatorio-da-onu/>. Acesso em: 03 abril 2020.
NETO; MONTEIRO; QUEIROGA. Aplicabilidade dos Microcontroladores em
Inovações Tecnológicas. VIICONNEPI, 2012. Disponível em:
<http://propi.ifto.edu.br/ocs/index.php/connepi/vii/paper/viewFile/2433/2526>. Acesso
em: 14 abril 2020.
NUNES. Sensores e transdutores. UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO. Disponível
em: <https://wiki.sj.ifsc.edu.br/wiki/images/8/89/Aula_1_-_Sensores.pdf>. Acesso em:
26 maio 2020.
PENIDO; TRINDADE. Microcontroladores. Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia, 2013. Dis