Dispositivo sensor-nó LoRa de baixo custo utilizando energia solar

LoRa de baixo custo

As redes de sensores sem fio estão sendo cada vez mais usadas em vários tipos de sistemas focados no monitoramento. Entre os protocolos de comunicação utilizados por esses sistemas, o LoRa vem ganhando destaque devido suportar transmissões por distâncias muito maiores que as demais, exigindo pouca energia. O uso de fontes renováveis ​​de energia como energia solar também tem sido uma tendência, com o objetivo principal de não agredir o meio ambiente e tornar a aplicação do sistema mais barata a longo prazo. O presente trabalho propõe o desenvolvimento de um dispositivo para operar em uma rede de sensores sem fio usando o protocolo LoRa e energia solar como fonte de energia para o sistema. O dispositivo deve possuir alguns sensores de forma que o sistema seja focado em aplicações voltadas para o campo de modo que o processo de agricultura seja otimizado. Os resultados incluem um processo detalhado para selecionar cada componente do dispositivo e o comportamento de cada sensor durante 24 horas de leitura. Além disso, os principais recursos do dispositivo são mostrados, como configurações de periféricos e módulos do microcontrolador.

Redes de Sensores Sem Fio

Diferentemente de uma rede com fio, as redes sem fio oferecem grande mobilidade para os dispositivos conectados. Em vez de se propagar através de sinais elétricos nos cabos, os dados trocados entre os dispositivos conectados à rede se propagam através de ondas de rádio. O uso de uma rede sem fio evita a instalação de cabos para conectar dispositivos em diferentes locais (TIWARI et al., 2015)

Segundo a autora Forster (2016), um sistema WSN (Wireless Sensor Network) é um termo que especifica um conjunto de computadores com o objetivo principal de medir algum parâmetro do ambiente, como temperatura ou vibração. Um sistema WSN é composto por vários dispositivos com sensores acoplados que executam uma função de um nó na rede e esses dispositivos são conectados à rede através de tecnologias de comunicação sem fio. Normalmente, há um dispositivo especial na rede, chamado de estação base, e esse dispositivo está conectado à Internet.

A figura abaixo fornece uma visão geral da estrutura básica de uma WSN. Cada dispositivo final é capaz de enviar e receber dados da estação base usando um protocolo de comunicação sem fio. A estação base encaminha esses dados para um servidor, que os disponibiliza aos usuários por meio de aplicativos.

LoRaWAN

De acordo com o trabalho de Devalal and Karthikeyan (2018), o protocolo LoRa é voltado para sistemas que usam baterias e precisam transmitir pequenas quantidades de dados em intervalos curtos e a longas distâncias. Os transmissores LoRa usam faixas de frequência que podem variar por região. A tabela abaixo especifica as faixas de frequência usadas em diferentes regiões do globo.

A arquitetura de rede LoRa é baseada na topologia em estrela, que como um dispositivo central, o gateway recebe e envia dados para os dispositivos finais na rede. O gateway deve estar conectado à Internet via Wi-Fi, Ethernet, rede móvel ou satélite para enviar dados recebidos dos dispositivos finais para um banco de dados. Em uma rede LoRa, pode haver mais de um gateway se apenas um não for suficiente para cobrir uma determinada área. Esses dispositivos têm uma cobertura muito ampla, os mais robustos podem cobrir uma área de até 100 km².

Requisitos do sistema

  1. Requisitos não funcionais
    1. Baixo custo;
    2. Baixo consumo de energia;
    3. Usar energia renovável;
    4. Autônomo;
    5. Acurácia mínima dos sensores de 95%.
  2. Requisitos funcionais
    1. Permanecer em estado de economia de energia na maior parte do tempo;
    2. Ler e transmitir dados periodicamente;
    3. Validar todos os dados antes de enviá-los;
    4. Alimentação por bateria, energia solar ou ambos;
    5. Informar o estado atual através de um LED.

Componentes

Dispositivo

O dispositivo é capaz de ler dados como temperatura do ar e do solo, temperatura do ar, umidade do ar e do solo. Foi necessário um regulador de tensão para reduzir a tensão da bateria e do painel solar para 3,3 V. É possível usar o dispositivo por energia solar, bateria ou ambas as formas.

Para o projeto e implementação do esquemático e da placa, o software EAGLE foi utilizado juntamente com bibliotecas disponíveis na internet.

Esquemático

Placa

Placa final com os componentes

LoRa de baixo custo

Sistema funcionando 

Testes e resultados

Para testar e validar os dados obtidos dos sensores, o sistema foi colocado em um período de operação durante 24 horas e os dados coletados serão mostrados nos gráficos a seguir.

Temperatura

O gráfico a seguir mostra os níveis de temperatura do solo e do ar coletados pelos sensores DS18B20 e SHT30, respectivamente. Como esperado durante a tarde, as temperaturas foram mais altas, enquanto durante o amanhecer as temperaturas caíram consideravelmente. 

Umidade do Solo

Às 10h e 12h, foi despejada água em torno do sensor capacitivo, o que explica a mudança abrupta no gráfico. Observa-se que durante o dia o solo secou mais rapidamente devido à temperatura do solo acima de 40 ºC.

Umidade do Ar

Durante a noite, os níveis da unidade atingiram valores mais altos, conforme o esperado.

Luminosidade

Durante a manhã, estava muito nublado, o que explica os baixos níveis de luz, enquanto à noite o sol era muito intenso, como mostra a imagem abaixo.

Conclusão

A implementação do dispositivo foi um sucesso e todos os requisitos foram atendidos. O uso do transmissor SX1276 LoRa tornou o valor final muito barato, porém foi necessário implementar todo o firmware. O módulo de alimentação usando um painel solar em conjunto com uma bateria 18650 funcionou muito bem, à noite o sistema era alimentado por bateria e durante o dia pelo painel solar, e a bateria carregou por completo durante à tarde através do painel solar. As leituras de dados do sensor se comportaram conforme o esperado, logo o dispositivo está pronto para aplicações agrícolas.

Link do repositório do projeto: https://github.com/emanuel36/LoRaWAN-sensor-node-device

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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Emanuel Angelim PereiraAdilson ChinattoBreno CruzEdisônia Comentários recentes
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Adilson Chinatto
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Adilson

Parabéns pelo projeto e resultados. Gostaria de saber como você fez as coletas de dados LoRaWAN, pois não encontrei essa informação no texto. Você usou algum gateway especial ou alguma rede específica? Fez testes de distância?

No mais, obrigado por compartilhar as informações!

Breno Cruz
Visitante
Breno Cruz

Emanuel, parabéns pelo projeto. Só gostaria de dizer que você poderia acrescentar um pouco mais de informações sobre a programação em si do hardware, mas vi que existem mais detalhes do projeto no Github, com o link que você disponibilizou. Outro detalhe é um pequeno erro de digitação no tópico da luminosidade. Fora isso, está de parabéns!

Edisônia
Visitante
Edisônia

Um trabalho excepcional e empreendedor. Parabéns Emanuel Angelim.

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