Descrição geral:

A idéia deste projecto é o desenvolvimento de um protótipo totalmente funcional para uma estação móvel  usada na coleta de dados ambientais tais como: temperatura, umidade e luminosidade.  Este protótipo foi desenvolvido somente para fins didáticos e fez parte de meu projeto final no curso de especialização do Coursera em parceria com a University of California, Irvine:  “Uma Introdução à Programação da Internet of Things (IOT)“.

Considerações do projeto:

• O Rover será controlado remotamente por um dispositivo Android com capacidade Bluetooth. Os dados serão continuamente capturados e transmitidos independentemente se o Rover está parado ou em movimento.
• O usuário deve receber um feedback visual (streaming de vídeo ao vivo)
• Os dados capturados serão analisados ​​através de um site público (neste caso: thingspeak.com)
• Os dados estarão disponíveis para os usuários em um formato gráfico e tabela
• Alarmes via Twitter serão gerados localmente pela estação ou pelo website
• O Rover terá capacidade autónoma para evitar obstáculos a fim de proteger-se em caso de mau controle por parte do usuário.

Opções de projeto:

Com base nos requisitos, inicialmente 2 opções foram consideradas para este projeto.

1. Um único processador responsável por todas as tarefas, que neste caso deveria ser um Raspberry Pi.
2. Um processador dual , sendo as funções divididos entre eles ( Arduino e RPI ) :
   • Processor 1: RPi
     • Captura de dados
     • Comunicação com a Web
     • Transmissão de vídeo
     • Envío de mensagens via mídia social
   • Processor 2: Arduino
     • Controle dos motores (movimento e posicionamento da câmera)
     • Evasão de obstáculos
     • Comunicação com o controle remoto

Em termos de custos, utilizar 2 processadores é de fato menos custoso do que a opção de um único processador. Isso ocorre porque o Arduino é um item muito barato e portanto mais acessível que a opção de “Servo Hat”, necessária para o RPi controlar os servos de maneira adequada. Outra diferença é o módulo de BT. Para o Arduino, um módulo barato como o HC – 06 BT 3.0 é suficiente, sendo que o mesmo custa a metade do preço do “BT Dongle” a ser adicionado ao Rpi.  Assim,a opção escolhida foi o projeto com processador dual.

A Lista de materiais:

Adicionando o sensor de luz:

Um tutorial muito bom que serviu de base para esta parte do projeto, pode ser visto aqui:

Build Your First IOT with a Raspberry Pi, DHT11 sensor, and Thingsp...

Um LDR e um capacitor foram conectados a GPIO24 . Basicamante, dependendo da constante de tempo RC, pode-se determinar se há luz (GPIO24 ==> HIGH) ou não (GPIO24 ==> LOW).

• O Código Python utilizado neste teste:
  • sudo Python iot_temp_hum_light.py

 

Adicionando um sensor para a intensidade de luz

O passo seguinte foi obter ” dados de intensidade da luz ” e uma vez que eu não tinha um ADC ( conversor analógico-digital ) em mãos , uma boa aproximação foi obtida utilizando-se a técnica de carga/descarga de capacitores (também aqui,  o “truque” é a variação da constante de tempo RC) . O ” Raspberry Pi Cookbook ” nos dá a solução (note que, em vez do potenciômetro no exemplo do livro, se usou um LDR).

O Código Python utilizado neste teste:

• sudo Python iot_temp_hum_light_pot.py

Enviando mensagens de alarm via Tweeter

Uma das características do IOT é interagir automaticamente com as pessoas. Para o envio de mensagens de alarme, um dos requerimentos do projeto, se pode tanto programar o RPI como um servidor web para enviar tweets diretamente ou usar o site ThingSpeak para isso. Claro que neste último caso, apenas serão enviadas mensagens “gatilhadas” por uma condição com base nos dados capturados) .

Abaixo um exemplo de código Python para o envío de tweets diretamente pelo RPi:

from twython import Twython
C_KEY = "xxxxxxxxxxxx"
C_SECRET = "yyyyyyyyy"
A_TOKEN = "zzzzzzzzzzzz"
A_SECRET = "wwwwwwwww"

api = Twython(C_KEY, C_SECRET, A_TOKEN, A_SECRET)

api.update_status(status="IoT Capstone Project - Tweet test")

Observe que a sua conta do Tweeter deve permitir o envío de um tweet a partir da RPI . Além disso, são necessárias chaves especiais geradas pelo Twitter , a fim de que se possa usar a biblioteca TWYTHON disponível para RPI .

Outra solução simples como explicado anteriormente, é enviar um Twitter diretamente do site. Neste caso, pode ser usado o recurso “React” de ThingSpeak.com .

Conectando o RPi e ao Arduino via port Serial

O Arduino utilizado foi o NANO que é tão poderoso como a UNO, mas com um ” fator de forma” pequeno .

Para fins de teste, um potenciômetro foi conectado aporta analógica A0 do Arduino e o valor lido, transmitido via Serial ao RPI. No teste, o RPI monitorará os comandos fornecidos por um teclado (conectado diretamente ao port USB ou através de VNC)  e dependendo do comando, ou o valor lido no port A0 será impresso no monitor, ou o LED da porta 13 do Arduino será apagado ou acendido (“toggle ON / OFF”).

• Abaixo o código Arduino e Python utilizado nos testes :
  • sudo Python ardu_pi_serial.py

Enviando os dados do Arduino para a Web:

Uma vez que o Arduino está conectado com RPI , dados adicionais capturados por Arduino também pode ser enviada para a Web , em conjunto com outros dados captados pelo DH11 e LDR .

O código Python usado para enviar dados para o site foi mudado para também incluiu os dados capturados pelo Arduino (valor de potenciômetro) .

Abaixo o código Arduino e Python utilizado nos testes :

• sudo iot_temp_hum_pot_ardu.py

 

Testando os motores do rover:

Neste ponto, o Rover vai começar a ser montado. Eu decidimos desmontar todos os sensores e começar do zero, a “Fase Arduino”. Uma vez que a Rover estiver funcionando corretamente, tanto o RPI e sensores serão remontados sobre o Rover na configuração definitiva.

Para motores, foram utilizados 2 servos contínuos (SM-S4303R). Esses servos girarão a uma velocidade, dependendo da largura de pulso recebido em sua entrada de dados. No caso deste servo, a largura de pulso pode variar de 1.0 ms a 2.0ms (outros servos podem trabalhar com larguras de pulso diferentes).

• Um pulso de 1.5ms vai posicionar o servo na posição neutra, ou “parado”.
• Um pulso de 1.0 ms vai faz com que o servo gire a maxima velocidade (cerca de 70 RPM) em uma direção e 2.0ms a toda velocidade na direção oposta.
• Pulsos entre 1.0 e 1.5ms ou 1.5ms e 2.0ms, gerarão velocidades intermediárias proporcionais.

A primeira coisa que deve ser feito, é enviar um pulso 1.5ms para verificar se os motores estão “parados”. Caso não estejam, os servos devem ser ajustados para isso (procure o parafuso amarelo, abaixo do servo). É claro que se o seu servo não possui esse ajuste, tente alterar o valor “1.5ms” até obter o ponto neutro.

Codigo para calibração dos servos:

#include <Servo.h>
Servo leftServo;
Servo rightServo;
Void setup()
{
    leftServo.attach(6);
    rightServo.attach(5);
    leftServo.writeMicroseconds(1500);
    rightServo.writeMicroseconds(1500);
}
void loop()
{
}

O código abaixo , pode ser usado para um teste de motor Rover completo (para frente , para trás, parada completa , virar à esquerda , virar à direita ). Se necessário, dependendo de seus motores você deve ajustar os “delays” para obter o ângulo de viragem desejado, (também, por vezes, os valores para a largura do pulso a direito devem ser um pouco diferentes que os da esquerda para compensar qualquer falta de equilíbrio dos motores ou desalinhamento da estrutura do Rover).

• MotorCode.ino

Montagem da estrutura final do Rover e testes com o Controle Remoto/Bluetooth:

Primeiro de tudo, note que o robô ou ” Rover ” é um protótipo para fins educacionais e foi construído com elástico, madeira e clips de junção das peças originais. É muito simples, mas funciona bem para o que se pretende .

No Arduino , foi utilizado um módulo Bluetooth HC – 06 . Você precisa de mais informações sobre como usar este módulo, consulte o meu post:

Conectando “coisas” com o Bluetooth

O código Arduino completo ( o anterior + BT ) estão disponíveis no file abaixo (não se esqueça que são 3 arquivos que devem estar sempre dentro de uma mesma pasta) :

• Iot_Capstone_Robot_10mar16.ino

 

A App Android

Para o controle remoto , um dispositivo Android foi o escolhido , pois é muito fácil de desenvolver um aplicativo usando o MIT AppInverntor2 . Para este projeto, desenvolvi o um aplicativo dedicado .

O aplicativo é muito simples. Ele possui:

• 5 botões para controle de direção ( FW , BW , esquerda, direita , Stop). Quando um desses botões é pressionado, um caracter é enviado via Bluetooth para o HC- 06, sendo o respectivo comando executado pelo Arduino.
• 1 Slider para o movimento da câmera. Um valor numérico é enviado de 0 a 100. Esse valor será ” mapeado ” no Arduino movendo a câmera proporcionalmente, dependendo da faixa de ângulo Servo (no meu caso algo de 20 a 160 graus )
• Entrada do endereço IP da PiCam e um botão para armazená-lo.
• Enviar / receber mensagens de texto para Arduino (o botão ” avião de papel ” é usado para enviar as mensagens)

O arquivo .aia disponível no final do post pode ser utilizado para gerar/modificar seu app caso você esteja familiarizado com o MIT AppInverntor2 e o arquivo .apk caso você deseje instalar e executar o aplicativo que desenvolvi diretamente em seu dispositivo Android.

App Android

Os sensores para deteção de obstáculos:

Para evitar obstáculos, será usado um sensor de ultra-som (HC- SR04 ). O sensor será montado sobre um servo 180o, com o objetivo de aumentar a área a ser pesquisada. Note que o servo também será utilizado como uma base para a Pi – câmera. Um controle deslizante na aplicação Android irá controlar o ângulo da câmera.

O HC-SR04 funciona enviando um pulso sonoro no pino “trigger” ( 2us LOW ; 10us HIGH), medindo quantos microsegundos um pulso refletido leva para retornar ao pino “echo” (lembre-se que o som viaja a 340m/s). A função “int distMeter ()” é utilizado para este cálculo.

No caso de um obstáculo a frente ser encontrado a menos de 20 centímetros, o LED vermelho acenderá e o rover parará, retrocedendo alguns centímetros por segurança. O vídeo mostra os testes com o Rover.

Vídeo de teste de obstáculos

O código completo Arduino (o anterior + desvio de obstáculos e procure servo controle ) está disponível nos arquivos:

• Iot_Capstone_Robot_BT_17mar16.ino

Integração e testes finais:

1. Em primeiro lugar, execute o programa python para ativar a Pi- Cam que deverá estar no diretório flask (verifique o link ao final para detalhes de instalação da camera) e verifique se a camera está enviando o video em streaming:
   • sudo python app.py
2. Uma vez que você pode ver o vídeo, execute um CTRL- C para libertar o monitor para introduzir o código Python principal:
   • sudo iot_temp_hum_pot_ardu.py
3. Verificar os valores dos sensores ( aquecer o sensor , cobrir o sensor de luz , etc. ). Veja o resultado no monitor e no site :
   • sudo python iot_temp_hum_light_pot_ardu.py
4. Execute o sketch final para o Arduino
   • Iot_Capstone_Robot_BT_19mar16.ino
5. Mova o rover com o aplicativo Android e confira o vídeo e os valores do sensor
6. Verifique se o rover para em um obstáculo.
7. Monitorar o site: Site de dados da estação e veja se os dados ambiente continuamente sido exibidos.

O vídeo mostra o protótipo completo sendo controlado pelo aplicativo Android , capturando dados do sensor e mostrando na Internet.

https://youtu.be/QwMHXr8PvC8

Os códigos para o Arduino e para o RPi:

Codigos para o Arduino

Codigos em Python para o RPi

Conclusão:

No futuro pretendo incluir algumas características adicionais ao projeto:

• Controlar o Rover pel
  a internet.
• Adicionar um braço robótico, de modo que o Rover possa fazer algum trabalho mecânico como a remoção de obstáculos, coleta de amostras , etc.
• Fonte de energia usando painéis solares.

Uma idéia é usar como estrutura o EasyRoverDS do Maurício aqui do Garagem:

http://mauriciodgsantos.wix.com/easyroverds

Para mais projetos e tutoriais, por favor, visite meu Blog.

Link para o projeto completo no Blog MJRoBot.org

Obrigado e espero que este projeto possa ajudar a outros garagistas aqui a aprender sobre o Raspberry Pi,  Internet das coisas (IoT), Arduino , robôs , etc.

Abração