uso da internet das coisas para aquisição de dados de
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Uso da Internet das Coisas para aquisição de dados
de campo relacionados à Indústria 4.0
André Fonseca Loureiro1, Rodolfo Francisco de Oliveira
1, Alexandre Grota
1
1Instituto Federal de São Paulo -Avenida Thereza Ana Cecon Breda, s/n – Vila São Pedro Hortolândia–SP – Brasil – Cep: 13183-250
[email protected], [email protected], [email protected]
Abstract: Industry is moving towards its fourth revolution, and in it we can
find several challenges to be overcome. Some of these challenges are:
accurate information and complete manufacturing control. To overcome these
challenges, a series of technologies can be used together, making a
manufacturing system vulnerable to a complex and robust information system.
This work was developed as a proof of concept to demonstrate a solution to
data acquisition in manufacturing using the Internet of Things (IoT), using the
MQTT protocol, where a certain number of sensors will be connected to a
wireless network that will send manufacturing data over the network to make
it available for final applications, through a Rest API. Thus, the data can be
used in the management of Industry 4.0.
Resumo. A Indústria está caminhando pra sua quarta revolução e nela
podemos encontrar diversos desafios a serem vencidos. Alguns desses desafios
são: a informação precisa e o controle total da manufatura. Para superar
estes desafios uma série de tecnologias pode ser utilizadas em conjunto,
tornando um sistema de manufatura vulnerável em um complexo e robusto
sistema de informação. O presente trabalho foi desenvolvido como uma prova
de conceito para demonstrar uma solução à aquisição de dados na
manufatura utilizando a Internet das coisas (IoT), com a utilização do
protocolo MQTT, onde um determinado número de sensores estarão
conectados a uma rede sem fio que enviará dados da manufatura através da
rede para disponibilizar os mesmos para aplicações finais, por meio de uma
API. Assim, os dados poderão ser utilizados na gestão da Indústria 4.0.
1- Introdução
A Indústria 4.0 é o nome que foi dado à 4ª revolução na indústria. Esta por sua vez tem a proposta básica de conectar máquinas e automatizar processos a fim de reduzir o tempo de resposta dos gestores e o conhecimento total da manufatura em tempo real. [Jbair et al. 2018]
IoT - “Internet of Things” (tradução: Internet das Coisas) faz referência a milhares de produtos que estão sendo conectados a rede World Wide Web para facilitar o dia a dia e até deixar as cidades e indústrias mais inteligentes. [Javed 2017]
O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema para aquisição e disponibilização de dados voltado à Indústria 4.0, através de uma prova de conceitos, onde serão apresentados os principais elementos que compõem a aplicação, inspirado nos desafios e solucionando uma das barreiras dessa revolução na indústria, que trata da aquisição de dados da manufatura. O sistema é constituído por uma Rede de Sensores sem Fio (RSSF), que recebe dados da manufatura, um servidor que recebe e armazena os dados em um banco de dados. Os dados, por sua vez, são disponibilizados através de uma API para qualquer aplicação via uma rede TCP/IP. Ao final, um aplicativo Android foi desenvolvido para demonstrar o funcionamento da aplicação.
O trabalho aqui apresentado, foi organizado da seguinte maneira: O Capítulo 2 trata do referencial teórico, com conceitos básicos abordados pelo presente trabalho. O Capítulo 3 traz os trabalhos correlatos, seguido pelo Capítulo 4, onde é apresentada a metodologia de pesquisa e de desenvolvimento da aplicação. No Capítulo 5 é descrita a apresentação da proposta. No Capítulo 6 é detalhada a implementação, bem como as particularidades das ferramentas utilizadas no desenvolvimento. No Capítulo 7 os resultados são apresentados e no Capítulo 8 são apresentados a conclusão e possíveis trabalhos futuros que podem ser originados a partir do presente trabalho.
2. Referencial Teórico
Neste Capítulo serão abordados alguns conceitos utilizados no projeto, tais como: Indústria 4.0; IoT - Internet das coisas; Protocolo MQTT e Web Services.
2.1 Indústria 4.0
A Indústria 4.0 é o nome que foi dado à 4ª revolução industrial, pelas indústrias e o governo da Alemanha no ano de 2011[Pereira e Goiás 2017], tendo como proposta básica a conexão de máquinas e processos à Internet, a fim de criar fábricas inteligentes, reduzindo o tempo de resposta dos gestores e o conhecimento total da manufatura em tempo real. Os objetivos centrais da indústria 4.0 são: agilidade, dados precisos e serviços automatizados [Jbair et al. 2018].
Os principais conceitos tecnológicos por trás da indústria 4.0, que estão representados na Figura 1, são: Internet das coisas, Computação na Nuvem, Big Data, Robótica, Interação Homem-Computador, Inteligência Artificial, Impressões 3D, entre outras tecnologias que permitem a digitalização de todo o processo produtivo. [Vogel-Heuser e Hess 2016]
Figura 1 – Industria 4.0 – Fonte: [Grilletti 2017]
A Industria 4.0, tem grandes desafios de acordo com [Khan, Maqbool; Wu, Xiaotong; Xu, Xiaolong; Dou 2017]: 1º Coleta de dados da manufatura; 2º Transformação de dados Físico-Cibernético em um único padrão; 3º Modelagem e integração de dados para a interoperabilidade dos sistemas; 4º Uso de dados gerados por sensores sem fio; 5º IIoT (Industrial Internet of Things); 6º Acesso em tempo real aos dados; e 7º Computação na nuvem. O presente projeto foi inspirado nestes desafios, com exceção do último item.
2.2 IoT (Internet das Coisas) A Internet das coisas está cada vez mais presente no cotidiano das pessoas, com o conceito de “conectar qualquer um, em qualquer lugar, onde quer que seja a qualquer coisa”[Kaur 2018], seja através de Smartphones, Smart TV’s, Smart Watches e outros dispositivos físicos, os quais interagem entre si e com outros sistemas na Internet.
Internet das Coisas é muito mais que apenas ligar lâmpadas pelo Smartphone. Não é somente ligar as “coisas” pela Internet, mas também as tornar inteligentes, capazes de coletar e processar informações do ambiente, ou das redes às quais estão conectadas.[Oliveira 2017]. A Figura 2 representa uma parte do universo de atuação da IoT, em casas inteligentes, relógios inteligentes, celulares inteligentes, entre outros itens e ambientes que podem ser conectados à rede e que estão conectados ao dia a dia. Esses itens, de certa forma, otimizam tempo e recursos das atividades do cotidiano.
Figura 2 – IoT - – Fonte: [IStock [S.d.]]
A onda de criação de “coisas” que acessam Internet está revolucionando a estrutura da mesma, surgindo a necessidade de uma melhoria no gerenciamento das redes. Como exemplo, é possível observar a faixa de endereçamento de tais dispositivos. Em 2012, foi oficializada a nova estrutura de protocolos, chamado IPv6, ampliando a rede de pouco mais de quatro bilhões de endereços para algumas centenas de trilhões de endereços, possibilitando a criação de inúmeros dispositivos gerando dados e carregando a rede. [Oliveira 2017]
A ideia por trás da Internet das Coisas é fazer com que diversos dispositivos, tais como RFIDs (Radio Frequency Identification), sensores para leitura de grandezas (tais como temperatura, umidade, som, luz, etc.), atuadores (tais como motores, lâmpadas, válvulas, etc.), NFC (Near Field Comunication), etc, interajam com o meio físico, coletando dados e compartilhando as informações através da Internet.[Kaur 2018]. Estes dispositivos, que fazem leitura do mundo real, também podem ser chamados de CPS “Cyber Phisical Systems”, que quer dizer, Sistema Físico – Cibernético.[Jbair et al. 2018]
A Internet das Coisas envolve diversas áreas de conhecimento, tais como, computação, comunicação, energia, análise de dados, microeletrônica, armazenamento de dados na nuvem e outras. Os aplicativos são usados para resolver problemas em diversas áreas, como biologia, comportamento humano [Ferreira et al. 2019], casas inteligentes, cidades inteligentes, indústrias inteligentes, transporte, segurança pública, varejo, entre outras. [Kaur 2018]
2.2.1 Sensor, Nó Sensor e RSSF
Neste tópico serão apresentados os conceitos de Sensor, Nó Sensores e RSSF (Rede de Sensores Sem Fio) e a correlação entre os mesmos.
Sensor é um dispositivo eletrônico que utiliza um transdutor de grandezas físicas e transforma as variações analógicas do meio ambiente em sinais elétricos e digitalizados através de transdutores. Estes dispositivos fazem a leitura de grandezas físicas, tais como pressão atmosférica, umidade, temperatura, vibração, som, ultrassom,
movimento, luminosidade, etc. Os microcontroladores digitalizam os dados recebidos e transmitem os dados de forma a ser compreendido e analisado virtualmente. [Karl, Holger; Willig 2006]
Nó Sensor é um equipamento de baixo poder computacional e energético, dotado de um processador, memória, fonte de energia, antena de comunicação, sensores e atuadores. A função de um Nó Sensor é coletar dados do ambiente (através dos sensores) ou atuar sobre o mesmo (através de atuadores), enviando ou recebendo dados para outros Nós Sensores ou uma rede externa. Um Nó Sensor se conecta a uma Rede de Sensores sem Fio (RSSF), sendo um componente essencial da mesma.[Karl, Holger; Willig 2006]
RSSFs possuem, além dos Nós Sensores, um Nó Sorvedouro e uma central de processamento que irá tratar das ações de acordo com os dados recebidos. O Nó Sorvedouro é o receptor de todos os Nós Sensores e transmite os dados para um Gateway.
A Figura 3 apresenta os conceitos apresentados anteriormente, onde o Nó Sorvedouro está conectado a um Gateway. Este por sua vez faz um meio de campo entre a RSSF e a Rede Externa que é acessado pela central de processamento (responsável por gerenciar a RSSF e armazenar seus dados), bem como outros servidores.
Figura 3 – Diagrama da rede. Fonte: Próprio Autor
2.3 Protocolo MQTT
De acordo com [Javed 2017] MQTT (Message Queue Telemetry Transport) é um protocolo leve de comunicação M2M (Machine to Machine), desenvolvido inicialmente pela IBM, sendo muito utilizado atualmente para aplicações na Internet das Coisas, como por exemplo, em automações residenciais, automações de produção agrícola e coleta de dados com sensores ligados em rede.
O Servidor MQTT é um servidor que centraliza as mensagens recebidas e as distribui aos interessados assinados. Segue o padrão de projeto OBSERVER, (Publish
and Subscribe,“publicar- assinar”), no qual o publicador (publisher) envia dados para um servidor conhecido como Broker, e os assinantes (subscribers) recebem os dados. A intenção segundo [Gamma, E.; Helm, R; Johnson, R. ;Vlissides 2017] é “definir uma dependência um-para-muitos entre objetos, de maneira que quando um objeto muda de estado todos os seus dependentes são notificados e atualizados automaticamente”.
O Broker MQTT funciona a partir de um tópico, que define um ponto em comum com os dispositivos que enviam as mensagens (Publicadores) e com os dispositivos que estão aguardando as mensagens (Assinantes). As mensagens não tem tamanho definido e podem conter diversos dados do tipo CHAR (caracteres). Na Figura 4 temos um exemplo de aplicação onde os Nó Sensores são os publicadores.
Figura 4 – Broker MQTT Fonte: Próprio Autor
2.4 Web Services
Web Services são aplicações que utilizam sistemas web para a interação e comunicação de diversos sistemas desenvolvidos em diversas linguagens, possibilitando a integração dessas tecnologias em diversas plataformas. Utiliza-se a web para realizar requisições, comumente, via HTTP para acessar os métodos e dados remotos. Os formatos mais comuns utilizados são JSON (Java Script Object Notation), XML (Extensible Markup
Language) e CSV (Comma-Separated Values).[Oliveira 2017]
3. Trabalhos Correlatos
Este Capítulo trata de dois trabalhos acadêmicos, os quais estão relacionados ao presente trabalho.
O primeiro trabalho [Oliveira 2016], propõem uma plataforma para aquisição de dados e monitoramento do processo produtivo de uma indústria de Estamparia mecânica. O foco da implementação é destinado a inclusão de máquinas e equipamentos com baixo nível de automação e monitoramento, na Industria 4.0. Utiliza a plataforma Arduino conectado a um servidor HTTP Server (open source) carregando o Sistema Gerenciador de Banco de Dados com os dados captados e utiliza uma página web para exibir os dados em tempo real.
O segundo trabalho [Graça 2017] propõem um protótipo de um sistema de aquisição de dados, capaz de medir grandezas como luminosidade, temperatura e umidade, em ambientes de trabalho. O sistema utiliza o microcontrolador com suporte a conexão Wi-Fi, que é responsável por realizar a interface entre os dados e uma plataforma de Internet das Coisas, onde os dados armazenados em banco de dados e podem ser visualizados em tempo real. A plataforma utilizada é o Thinger.io, que oferece gratuitamente um dashbord (painel de visualização dos dados de forma gráfica), com dois sensores conectados a rede, para fins de teste.
4. Metodologia
Nesta seção serão tratados os detalhes das metodologias utilizadas, para realização do presente projeto.
4.1 Metodologia de Pesquisa
A metodologia de pesquisa utilizada foi aplicada a uma prova de conceito com experimentos práticos, com caráter descritivo, baseado em procedimentos bibliográficos referenciados em artigos e livros sobre o tema, com uma abordagem quali-quantitativa, sendo a conclusão por dedução dos resultados obtidos.
4.2 Metodologia de Desenvolvimento
Para a realização do projeto, foi utilizada uma adaptação da metodologia Ágil para projetos acadêmicos chamado de AMoPCE (Agile Model for Project Computing
Education). A metodologia funciona em 3 fases: 1)Planejamento Colaborativo. 2) Iteração 3) Apresentação ( [Kastl et al. 2016] ).
Figura 5 – AMoPCE adaptado pelo Autor de [Kastl et al. 2016]
A Figura 5 traz uma visão geral da metodologia adotada:
Planejamento Colaborativo: onde é feito o planejamento do desenvolvimento, baseado nas ideias, estórias e tarefas.
Iteração: são como as sprints, onde é feito o planejamento da sprint, desing, codificação e testes. Nesta fase ocorre reuniões de alinhamento de 10 a 15 min, onde são reportados o que foi feito e as dificuldades encontradas.
Apresentação: onde é apresentado um mini projeto/protótipo em funcionamento.
A aplicação da metodologia foi de extrema importância para estruturação do projeto no decorrer do desenvolvimento do código e do artigo. Os testes após o desenvolvimento de uma nova funcionalidade proporcionam segurança na sequência do desenvolvimento, e agilidade pra encontrar, por exemplo, um defeito que esteja nas últimas linhas de código desenvolvida. As entregas mais frequentes foram importantes para feedbacks precisos e pontais. Estas foram adaptadas para reuniões semanais de 30 a 60 minutos, no inicio do trabalho, para alinhamento geral do desenvolvimento das tarefas, e mensais durante a fase de pandemia do COVID-19 Na fase final, as reuniões ocorreram semanalmente e com até dois encontros em dias distintos.
A participação colaborativa foi efetiva no desenvolvimento para preencher lacunas entre as ideias e objetivo proposto. Em um determinado momento em que o foco do mundo estava voltado para a pandemia e o novo Corona vírus, uma das ideias acabou se desviando do foco central que é uma solução para a Industria 4.0, em uma solução para monitoração de pacientes em hospitais de campanha. Apesar de o sistema ter a possibilidade de adaptação, esta ideia será apresentada como possível trabalho futuro da área de desenvolvimento de sistemas, ou pra outras áreas envolvidas com a saúde, como a área de biotecnologia por exemplo.
5 Apresentação da proposta
Dados os desafios da indústria, para galgar níveis de automação e se enquadrar nos padrões da Indústria 4.0 descritos no item 2.2 deste artigo, a proposta do sistema é servir de porta de entrada para sistemas gerenciais complexos com os dados de linhas de produção que não possuem conexão com rede de internet e que precisam ser monitoradas para cálculos de produtividade, ociosidade de equipamentos, porém a politica da empresa não permite a conexão das máquinas diretamente à rede de internet.
Neste Capítulo, será apresentada a proposta através de uma prova de conceito, em que o sistema pode ser utilizado para capturar dados em campo, armazenar e disponibilizar os mesmos para aplicações finais conforme ilustrado na Figura 6. Nela, pode-se verificar que o sensor estará em contato com o meio físico e o Nó Sensor, que envia dados ao servidor para processamento dos mesmos, sendo armazenados no sistema de gerenciamento de banco de dados e disponibilizados através da API para aplicações de interface com o usuário.
Figura 6: Proposta de implementação. Fonte: Próprio autor
5 .1 Requisitos do Sistema
Para atingir as expectativas, o sistema deverá cumprir os requisitos abaixo:
1. Captar dados de sensores no meio físico, com intervalos mínimos de 500ms e registrar caso tenha uma variação mínima de acordo com a grandeza e a necessidade do processo.
2. Registrar o dado analógico a cada 5 minutos, caso não ocorra a variação mínima definida no processo.
3. Enviar os dados a Central de processamento por meio sem fio. 4. Armazenar os dados num banco de dados. 5. Disponibilizar o acesso aos dados através API (Interface de programação de
aplicações ou do inglês Aplication Programming Interface).
5 .2 Diagrama de Sequência
A Figura 8 apresenta o Diagrama de Sequência do Sistema, onde o sensor é representado por um sinal externo que envia os dados ao Nó Sensor. Este, por sua vez, reconhece o sinal e forma uma mensagem e a envia o mesmo a um Broker MQTT, onde o Servidor de aplicação recebe as mensagens e confirma o recebimento ao Nó Sensor, armazenando o mesmo no SGBD. A API que é executada no servidor de aplicação acessa os dados no banco de dados e disponibiliza estes dados para aplicações finais.
Figura 8: Diagrama de Sequência 1. Fonte: Próprio Autor.
5.3 Diagrama de Entidade Relacionamento
Foram criadas 3 entidades para armazenamento dos dados. A Figura 9 detalha as entidades no banco e os relacionamentos entre elas, de forma que a primeira entidade “Local” refere-se aos dados do local que foram instalados os sensores. A mesma possui uma relação com a entidade “Sensor” de 1-N, ou seja, um local poderá ter diversos sensores instalados. Da mesma forma, ocorre com a relação as entidades “Sensor” e “dadosensor”, onde um mesmo sensor poderá receber diversos dados.
Figura 9: Tabelas e seus relacionamentos no SGBD. Fonte: Próprio Autor.
5.4 Arquitetura do Sistema.
A arquitetura do sistema foi constituída e dividida em 3 módulos conforme a Figura 10. O Módulo1 é constituído pelo Nó Sensor, o qual atua como “Publicador”, recebendo os dados dos sensores e efetuando a publicação das mensagens para o Broker via o protocolo MQTT, toda vez que ocorrer um evento ao qual foi programado. O evento é uma ação específica, gerada a partir dos dados coletados e sua respectiva análise, tendo como base a regra de negócio programada no nó sensor.
O Módulo 2 é constituído pelo Servidor de Mensagens denominado Broker, responsável por receber as publicações emitidas pelo Módulo 1 e enviá-las para os dispositivos assinantes (Módulo 3) via protocolo MQTT.
Figura 10 : Visão geral da Arquitetura do Projeto Fonte: Próprio Autor
O Módulo 3 é constituído pelo Servidor de Aplicação, responsável por receber as mensagens do Broker e tratá-las de forma que possam ser armazenadas no SGBD
(Sistema Gerenciador de Banco de Dados), e disponibilizar os dados através de uma API (Aplication Programing Interface), para qualquer outro sistema.
6. Implementação
Nesta seção serão detalhados a implementação do sistema no cenário da Indústria 4.0, bem como os detalhes das ferramentas utilizadas. Portanto, foi desenvolvido um sistema no padrão de projeto Publicador/Assinante (Public/Subscribe), utilizando o módulo ESP8266, como uma porta de entrada de sinais digitais e analógicos e de conexão com a uma rede TCP/IP, através de um módulo Wifi integrado (Módulo 1) conforme demonstrado na Figura 11. Nesta mesma rede está conectado um servidor de mensagens MQTT, implementado através da solução open source Mosquitto (Módulo 2). Para processar as mensagens foi desenvolvido um servidor de aplicação em Java, que trata cada mensagem e armazena os dados coletados em um banco de dados. O banco de dados foi implementado utilizando o SGBD (Sistema Gerenciador de Banco de Dados) MySQL. A API como serviço web de acesso ao banco de dados, foi desenvolvida em PHP e Node Js (Módulo 3).
Figura 11 Representação Simplificada da implementação na indústria. Fonte: Próprio Autor.
Para fim de testes, foi criado um aplicativo Android, utilizando o ambiente de desenvolvimento gratuito app Inventor 2. Esta aplicação terá como finalidade consumir os dados recebidos pela API, simulando uma aplicação gerencial.
A seguir será detalhado cada um dos módulos e a API.
6.1 Módulo 1 - Nó sensor
Afim de implementar o Nó Sensor (Módulo 1) foi utilizado um microcontrolador ESP-12E, acoplado a uma base de conexão LoLin NodeMCU V3. Esta possui um regulador de tensão de 3,3V de 1A (Ampere), com pinos de interligação das GPIO e conexão micro USB para alimentação e comunicação serial.
Figura 12 : Visão geral da pinagem do processador LoLin NodeMCU V3 [Espressif 2015]
A Figura 12 apresenta a disposição das conexões da placa LoLin NodeMCU V3 com o microcontrolador ESP-12E. Possui 17 pinos de I/O, 3 pinos de alimentação de 3,3V e 3 pinos pra GND, um pino de entrada de 5v externo e o GND, 1 pino de referência de GND para sinais analógicos externos, e 2 pinos reservados para “habilitar e reset” do microcontrolador.
Para representar a linha de produção da prova de conceito, foi criado um circuito conforme a Figura 13, onde o Sensor Digital possui um botão para simular o recebimento de sinais da produção de uma peça e o Sensor Analógico é equipado com um sensor de temperatura 18b20. Estes sensores representam os sinais que o módulo venha a receber. Ao pressionar o botão SW, o Nó sensor envia uma mensagem ao Broker com uma mensagem. Já o sensor analógico está programado pra registrar a temperatura quando a variação for maior que 1º C em relação ao ultimo dado lido.
Figura 13 : Visão geral da pinagem do processador LoLin NodeMCU V3. Fonte: Próprio
Autor.
Estas mensagens são separadas por “,” e carregadas num objeto com os seguintes dados relacionados: “dado, Id do Sensor , Identificador”. Após isso, a mensagem é verificada e enviada para o banco de dados. Maiores detalhes dos dados no item 6.3.2.
A Figura 14 apresenta a montagem do circuito feita em uma protoboard referente aos nós sensores.
Figura 14 : Montagem do Circuito Nó Sensor Indústria 4.0 Fonte: Próprio Autor.
6.2 Módulo 2 - Servidor MQTT
Para a implementação do Servidor MQTT, foi utilizado um computador com sistema operacional Linux Mint 19.2, dotado do processador Intel Centrino Pro, Core ™ 2 Duo T8300 de 2.40GHz, com 3 Gb de memória RAM e 80 Gb de HD.
Para implementar o broker, foi utilizado o Mosquitto MQTT v3.1, devido a ser uma aplicação leve, de código aberto e confiável para os testes e o funcionamento da Prova de conceito. Para instalação foi utilizado o terminal do Linux com os seguintes comandos:
“apt -get install mosquitto mosquitto-clients” // instala o servidor MQTT
“mosquitto -v” // Habilita o servidor em todos os logins.
6.3 Módulo 3 – Servidor de Aplicação
O servidor de Aplicação foi configurado em um computador com o sistema operacional Windows 10, com um processador Intel i5 T7200 de 1.8 GHz, com 16 GB de memória RAM e SSD de 250 Gb. Possui 3 aplicações em rede que são executadas simultaneamente: 1º Aplicação de Interface; 2º Aplicação do SGBD; 3º Aplicação webservice API.
6.3.1 Aplicação de Interface
Aplicação de Interface é um software criado na linguagem Java, utilizando o Eclipse IDE for Java Developers Versão: 2019-12 (4.14.0), com base no projeto Maven que gerencia as dependências das classes, possibilitando o software estar conectado ao servidor MQTT através da rede local.
A aplicação é um assinante do Tópico “sensor”, portanto, todas as mensagens enviadas a esse tópico, a aplicação irá tratar e determinar as ações com essas mensagens.
As mensagens recebidas com o tópico “sensor”, referem-se ao envio e de dados dos Nó sensores para o armazenamento
6.3.2 SGBD
O Servidor de Aplicação conta com um SGBD (Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados) para o armazenamento dos dados. Foi utilizado o MySQL 5.7 devido ser um sistema open source e suficiente para suportar a aplicação da prova de conceito.
6.3.3 API
O Servidor de Aplicação possui um sistema de Web Service, uma API (Aplication
programming Interface), que disponibiliza os dados do banco para qualquer aplicação via HTTP através da porta 9090. Foi utilizado o Composer.php (versão 1.10.1), uma aplicação PHP, que gerencia dependências do projeto e cria um servidor local de acesso ao banco de dados. Possui dentre diversos arquivos o route.php, onde são definidas as rotas de acesso ao banco e outro arquivo denominado settings.php, onde é utilizado para configurar o acesso ao banco de dados. O acesso a API é realizado através de uma requisição HTTP com uma rota pre-definida. Os retornos dos dados são em formato JSON, podendo serem utilizados em diversas aplicações.
A Tabela 1 demonstra as três rotas que foram definidas para exemplificar o funcionamento da API no sistema.
Tabela 1 – Rotas API
Rota Descrição
[SERVIDOR] /dados Retorna todos os dados registrados no SGBD.
[SERVIDOR] /analogicos Retorna os últimos dados de todos os sensores analógicos.
[SERVIDOR] /listasensores Retorna os locais cadastrados.
7 Resultados
Neste Capítulo serão apresentados os resultados obtidos durante o desenvolvimento do trabalho. A Tabela 2 apresenta os testes realizados de acordo com cada requisito discriminado no Capítulo 5.2:
Tabela 2 - Descrição dos testes realizados
Requisito Teste
Captar dados de sensores no
meio físico, com intervalos
mínimos de 500ms para
dados Digitais e para sensor
analógico, caso tenha uma
variação mínima de acordo
com a grandeza e a
Para este requisito, foi desenvolvido o teste de leitura dos dados a cada 500ms e o registro do mesmo ocorre quando há uma variação na leitura maior que uma unidade da grandeza medida. Neste caso foi utilizado o sensor de temperatura e a variação mínima de 1ºC (Um grau célsius).
Leitura em sensor Analógico:
necessidade do processo. Foi colocado o sensor a prova em temperatura ambiente, registrando no mesmo 35,65ºC. Logo após, foi submetido o mesmo a um copo de água com aproximadamente 75ºC, simulando um corpo aquecido na Indústria, e após 50 medições foi submetido o sensor a um copo de água com aproximadamente 2ºC e refeito 50 medições. Após os registros dos dados foi verificado desvio de + 0,01 até +0,12 ºC nos registros acima de 1ºC .
Leitura dos pulsos da simulação de peças produzidas:
Para teste de capitação de sinais Digitais, foi acionado o botão, porem logo no início do teste foi verificado que o sistema adicionava dezenas vezes em apenas um clique, onde o tipo de botão utilizado poderia provocar múltiplos acionamentos durante o assentamento do contato na parte interna do botão. Para resolver esse problema, foi alterado o código de forma absorver múltiplos acionamentos dentro do período de 500ms. Foi então feito o acionamento por 50 vezes, com uma diferença de um a dois segundos entre os acionamentos e utilizado um contador interno do nó sensor para registrar os acionamentos e comparados aos dados registrados no terminal serial da IDE Arduíno. Os resultados foram registrados em 100% dos acionamentos.
Foram executados testes de acionamento inferior a 500ms com a finalidade de testar múltiplos pulsos ou até falhas de repiques de sensores em linhas de produção, porém manualmente, o resultado não foi satisfatório, pois em alguns acionamentos ocorreram a contagem dos pulsos indevidamente, devido o tempo ter sido maior que os 500ms, foi então feito um teste utilizando uma saída do micro controlador ESP8266 com pulsos de 250ms a cada 400ms, abaixo do tempo mínimo. O resultado foi satisfatório, onde registrou apenas o primeiro pulso.
Registrar o dado analógico a cada 5minutos caso não
ocorra a variação mínima definida no processo.
Para executar este teste foi deixado o sensor em temperatura ambiente e verificado durante 1 hora os registros de temperatura. Ocorreram 5 leituras por variação de temperatura e 8 por tempo de 5 minutos. Nos primeiros testes ocorreu a diferença de 35 segundos no tempo de registros, a partir daí foi alterado o parâmetro para aproximar a leitura dentro dos 5 minutos +/- 2%. O resultado registrado foi satisfatório.
Enviar os dados a Central de
processamento por meio sem
fio.
Conexão do nó Sensor com o Broker :
Para teste do envio de dados, foram feitos testes de conexão entre o nó Sensor e o Broker bem como a conexão entre o Servidor de aplicação e o Broker.
Foram feitos testes de conexão executando o reset do nó sensor, e verificado a re-conexão do sistema, bem como as
mensagens de aviso sobre o status da mesma.
Acumulo de dados no nó sensor e o escoamento do
Buffer de dados:
Para testes de escoamento dos dados do nó sensor, foi interrompida a conexão da rede e efetuada a captação de dados do meio, e verificado os registros no buffer de mensagens pelo monitor serial através da IDE do Arduino, após 50 medições foi, retomada a conexão com a rede e verificado o envio dos dados, com intervalo de 2 segundos, e o recebimento do mesmo pelo servidor de aplicação.
Armazenar os dados num
banco de dados.
Recebimento de mensagens fora do padrão:
Para testes de armazenamento, foram enviadas mensagens ao Broker, fora do padrão utilizado nos sensores, utilizando o aplicativo para Android gratuito, MyMQTT disponível na Play Store do Google, onde o servidor de aplicação recebe e descarta as mensagens. Foram enviadas 50 mensagens distintas, onde as mesmas foram descartadas 100% das vezes.
Recebimento e armazenamento dos dados:
O teste de armazenamento no banco de dados ocorreu simultaneamente aos testes de “Leitura em sensor Analógico”, e “Leitura dos pulsos da simulação de peças produzidas”, foram registrados 100% dos dados enviados ao banco.
Disponibilizar o acesso aos
dados através API .
Para teste do acesso aos dados do banco através da API, foi programado uma interface Android, utilizando o APP Inventor 2 , onde a aplicação recebe uma lista de dados em formato JSON puro e exibe na tela do celular ou tablete. Esta aplicação não possui uma versão final para comercialização.
Foram feitos testes com 3 rotas, onde os dados foram recebidos e exibidos pela aplicação androide.
As Figuras 16, 17 e 18, mostram os resultados que foram recebidos do banco de dados através da API. Estes dados foram recebidos em formato JSON e disponibilizados na integra, sem qualquer alteração ou formatação na aplicação Androide.
Figura 16: Print da Tela do App Sensores recebendo dados da View “dados”.
Fonte : Próprio autor
Figura 17: Print da Tela do App Sensores recebendo dados da View “listasensores”.
Fonte : Próprio autor
Figura 18: Print da Tela do App Sensores recebendo dados da View “analogico”. Fonte :
Próprio autor
8 Conclusões
Conforme a problemática do presente trabalho em captar dados em campo voltado à Indústria 4.0, foi proposta através de uma prova de conceito a utilização de IoT com sensores sem fio, captando dados e transmitindo os mesmos por uma rede TCP/IP utilizando o protocolo MQTT na camada de transporte.
Os resultados obtidos foram muito satisfatórios a nível prático, onde os dados captados foram registrados no banco de dados e não ocorreram perdas de dados durante os testes. Porém, a administração de redes sem fio é de suma importância para não ocorrerem interferências e o sistema permanecer funcionando perfeitamente.
Este trabalho promoveu a integração de diversas áreas de conhecimento, como programação de microcontroladores utilizando linguagem C++, programação em ambiente java, integração com o banco de dados utilizando o MySQL, integração com API por meio de Web Services, hardwares, eletrônica básica, arquitetura de sistemas e programação de dispositivos móveis. A utilização de programação voltada para o NodeMCU com ESP8266, trouxe novos conhecimentos, bem como desafios e ideias para trabalhos futuros voltados ao desenvolvimento de sensores sem fio.
O presente trabalho abre um leque de trabalhos futuros com foco no desenvolvimento de interfaces pra gerenciamento, visualização e interação com o sistema, bem como o desenvolvimento de sensores sem fio utilizando o protocolo MQTT como meio de transporte de dados. Este último, remete-se a criação de sensores a diversas grandezas e associações a meios físicos e substâncias químicas.
Durante a execução do trabalho, foi levantada a hipótese do sistema servir de auxílio na monitoração de pacientes em hospitais de campanha devido a pandemia do novo Corona Vírus, com sensores de temperatura, oxímetro e pulsação cardíaca. O assunto foi relevante ao ponto de iniciarmos um estudo de viabilidade, porém, retomamos o foco e chegamos a conclusão de propor o tema como trabalhos futuros.
O uso da metodologia AMoPCE foi muito positivo pra o desenvolvimento do trabalho, devido a: 1) Integração intensa entre aluno e orientador; 2) Feedback pontual sobre uma tarefa recentemente concluída; 3) Direcionamento do aluno no foco do projeto; Informações e sugestões são avaliadas rapidamente; 4) Soluções práticas que preenchem lacunas que aparecem durante o desenvolvimento do projeto. Estes resultados projetam uma reflexão positiva sobre o uso da metodologia em desenvolvimento de projetos na área da computação.
Com este trabalho foi possível concluir que o sistema com o uso de IoT para captação de dados em campo é eficiente para a indústria bem como pode ser para outras áreas da sociedade, como saúde, agronomia, agricultura e agropecuária, de acordo com a necessidade e as circunstâncias pode se adaptar sensores e meios de comunicação conforme o ambiente em questão.
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Documento Digitalizado Público
Artigo - Uso da Internet das Coisas para aquisição de dados de campo relacionados à Indústria 4.0
Assunto: Artigo - Uso da Internet das Coisas para aquisição de dados de campo relacionados à Indústria 4.0
Assinado por: Rodolfo Oliveira
Tipo do Documento: Outro
Situação: Finalizado
Nível de Acesso: Público
Tipo do Conferência: Documento Digital
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