ArduFarmBot: Part 2 – “Estação Remota” – IoT

Este post é uma continuação do ArduFarmBot: Controlando um tomateiro com a ajuda de um Arduino e Internet das coisas (IoT)

Na primeira parte do projeto, criamos uma estação local de controle e captura de informações, tais como temperatura, umidade relativa do ar, luminosidade e umidade do solo. Com base nesses dados, o ArduFarmBot decidia automaticamente a quantidade certa (e quando) o tomateiro deveria receber calor e água. A estação local de controle desenvolvida na Parte 1, também permitia a intervenção manual de um operador a fim de controlar tanto a bomba de água quanto a lâmpada elétrica. Nesta  segunda parte, implementaremos uma abordagem “IoT” onde a”intervenção manual” também poderá ser feita remotamente via Internet. O diagrama de blocos mostra como faremos isso:

Note-se que os dados capturados serão enviados a um “serviço de armazenamento na nuvem” (no nosso caso Thinkspeak.com). Além disso, um website dedicado, o “Remote Control Page” mostrado no diagrama,  irá monitorar e exibir esses dados em tempo quase real. Esta página também permitirá a ativação remota da bomba e  da lâmpada.

• Arduino Nano – ($7.50)
• Temperature and Humidity Sensor DHT22 ou DHT11 – ($3.66)
• Luminosity Sensor – AD-018 Photo resistor module. ou equivalente – ($0.71)
• 2X Soil Moisture Sensor – ($1.99) (Opcional, pode ser do tipo “caseiro -DIY”)
• LCD I2C 20X4 ($13.99)
• LEDs (1X) ($0.20)
• Esp8266 Serial Wifi Wireless Transceiver Module Esp-01 – ($5.96)
• Active Buzzer – Ky-12 ou equivalente ($0.60)
• 2 X 5v Relay Module ($11.60)
• Jump wires (S1.00)
• Resistor 10KOhms  – ($0.03)
• Resistor 2.2K Ohms  – ($0.03)
• Resistor 1.0K Ohms  – ($0.03)
• Resistor 220 Ohms  – ($0.03)
• Arduino Nano Shield (“Funduino”) – ($7.28)
• Membrane keyboard (4 Keys) – ($6.65)
• Caixa Plástica

Para conectar-se o ArduFarmBot à Internet, utilizaremos o ESP8266, um módulo simples, barato e fácil de programar para os projectos envolvendo a Internet das coisas (IoT). A partir da estação local desenvolvida na Parte 1, o único HW adicional necessário é o próprio ESP8266. O diagrama de blocos abaixo, mostra todas as conexões com os pinos do Arduino e dos componentes principais.

O único cuidado que você deve ter é relacionado com o nível de tensão do pino RX do ESP8266, pois ele funciona com 3.3V. Assim, o Pin Rx não deve ser conectado diretamente ao pino Tx do Nano (D3). Um nívelador de tensão deve ser usado. No nosso caso, vamos construir um divisor de tensão para ser usado como um “conversor de nível de tensão”.

O esquema eléctrico abaixo, mostra com mais detalhes como se conectar o ESP8266.

Se você quiser saber mais sobre o ESP8266, consulte meus posts anteriores aqui no Blog:

1. O ESP8266 parte 1 – Serial WIFI Module
2. O ESP8266 parte 2 – Web Server
3. O ESP8266 parte 3 – Acionando LEDs remotamente

Note que estamos usando o ESP8266 conectado aos pinos 2 (Tx) e 3 (Rx) do Nano, utilizando-se da biblioteca “SoftSerial”. Se você quiser “livrar” os pinos digitais, poderá alternadamente usar os pinos 0 e 1 do Nano (Serial por HW). Apenas lembre-se que você deve desligá-los ao enviar o código para Nano.

NOTA: Se você deseja se conectar o “Buzzer”, você deve fazê-lo no pino D17 (o mesmo que o pino A3). É bom ter um alarme sonoro quando ocorra um erro de comunicação. Eu o usei durante a fase de teste, deixando de fora no HW do projecto final (mas o código está preparado para isso). Cabe a você decidir se o insta-la ou não.

O código abaixo pode ser usado para testar e / ou configurar o  ESP8266:

Uma vez que o módulo ESP8266 está instalado, o próximo passo é aplicar um “Reset” no pino CH-PD.

/***************************************************
* Reset funtion to accept communication
****************************************************/
void reset8266(void)
{
  pinMode(CH_PD, OUTPUT);
  digitalWrite(CH_PD, LOW);

  delay(300);
  digitalWrite(CH_PD, HIGH);
  Serial.print("8266 reset OK");
  lcd.clear();
  lcd.println("8266 reset OK       ");
}

Após o reset, vamos conectá-lo à rede local  (alterar o no código: username e password, por suas credenciais ) e iniciar o módulo como “Modo Station” (CWMODE = 1):

/***************************************************
* Connect WiFi
****************************************************/
void connectWiFi(void)
{
  sendData("AT+RST\r\n", 2000, DEBUG); // reset
  sendData("AT+CWJAP=\"USERNAME\",\"PASSWORD\"\r\n", 2000, DEBUG); //Connect network
  delay(3000);
  sendData("AT+CWMODE=1\r\n", 1000, DEBUG);
  sendData("AT+CIFSR\r\n", 1000, DEBUG); // Show IP Adress
  lcd.clear();
  lcd.print("8266 Connected");
  Serial.println("8266 Connected");
}

Para enviar dados ao ESP8266, utilizamos a função sendData():

/***************************************************
* Send AT commands to module
****************************************************/

String sendData(String command, const int timeout, boolean debug)
{
  String response = "";
  esp8266.print(command);
  long int time = millis();
  while ( (time + timeout) > millis())
  {
    while (esp8266.available())
    {
      // The esp has data so display its output to the serial window
      char c = esp8266.read(); // read the next character.
      response += c;
    }
  }
  if (debug)
  {
    Serial.print(response);
  }
  return response;
}

As funções acima serão chamadas durante a “fase de setup” de nosso Código. Se tudo foi feito corretamente, você deve ver pelo monitor serial, mensagens semelhantes como as de abaixo:

/***************************************************
* Transmit data to thingspeak.com
****************************************************/
void updateDataThingSpeak(void)
{
  startThingSpeakCmd ();
  
  cmd = msg ;
  cmd += "&field1=";     //field 1 for DHT temperature
  cmd += tempDHT;
  cmd += "&field2=";    //field 2 for DHT humidity
  cmd += humDHT;
  cmd += "&field3=";    //field 3 for LDR luminosity
  cmd += lumen;
  cmd += "&field4=";    //field 4 for Soil Moisture data 
  cmd += soilMoist;
  cmd += "&field5=";    //field 5 for PUMP Status
  cmd += pumpStatus;
  cmd += "&field6=";    //field 6 for LAMP Status
  cmd += lampStatus;
  cmd += "\r\n";

  sendThingSpeakCmd();
}

A fim de enviar esses dados, a primeira coisa a fazer é iniciar a comunicação com o ThingSpeak.com. Faremos isso, usando-se da função:startThingSpeakCmd ();

/***************************************************
* Start communication with ThingSpeak.com
****************************************************/
void startThingSpeakCmd(void)
{
  cmd = "AT+CIPSTART=\"TCP\",\"";
  cmd += IP;
  cmd += "\",80";
  esp8266.println(cmd);
  delay(2000);
  if(esp8266.find("Error"))
  {
    Serial.println("ESP8266 START ERROR");
    return;
  }
  Serial.println("Thinkspeak Comm Started");
  cmd ="";
}

Uma vez que o canal esteja aberto com o ThingSpeak e o string “cmd”  esteja montado com os dados, é hora de fazer o upload de tudo isso no canal correspondente do ThingSpeak usando-se da função:sendThingSpeakCmd();

/***************************************************    
* Update channel ThingSpeak.com
****************************************************/
String sendThingSpeakCmd(void)
{
  esp8266.print("AT+CIPSEND=");
  esp8266.println(cmd.length());
  if(esp8266.find(">")){
    esp8266.print(cmd);
    Serial.println("");
    Serial.println("");
    Serial.println(cmd);
    delay(500);
   
    String messageBody = "";
    while (esp8266.available()) 
    {
      String line = esp8266.readStringUntil('\n');
      if (line.length() == 1) 
      { //actual content starts after empty line (that has length 1)
        messageBody = esp8266.readStringUntil('\n');
        Serial.print("Message received: ");
        Serial.println(messageBody);
      }
    }
    return messageBody;
  }
  else{
    esp8266.println("AT+CIPCLOSE");
    Serial.println("ESP8266 CIPSEND ERROR: RESENDING"); //Resend...
    error=1;
    return "error";
  }
}

As funções acima foram baseadas em um tutorial muito bom desenvolvido por Michalis Vasilakis. Para mais detalhes, consulte:

Arduino IOT: Temperature and Humidity ( with ESP8266 WiFi).

A foto abaixo mostra o canal ArduFarmBot no site do ThingSpeak.com:

Neste momento, estamos subindo (“Upload”) e armazenando todos os dados coletados na nuvem. Isto é muito útil para a monitoração remota, mas o que aconteceria se com base nesses dados gostaríamos de acionar a bomba ou a Lâmpada, independente do programa automático local? Para fazer isso, além do “Upload”, também faremos um “Download” de dados a partir da nuvem, informando ao controlador como agir basedo nesses dados (comandos).

Criemos para isso, campos específicos em nosso canal ThinkSpeak para comandar os atuadores:

• Field 7:
  • Data = 1 ==> PUMP should be Turn ON
  • Data = 0 ==> PUMP should be Turn OFF
• Field 8:
  • Data = 1 ==> LAMP should be Turn ON
  • Data = 0 ==> LAMP should be Turn OFF

OK, mas como configurar esses campos diretamente no ThingSpeak? Podemos fazê-lo, por exemplo, escrevendo um “plugin” diretamente para ThinksPeak, ou podemos usar um site externo para fazê-lo (esta será a nossa escolha). De qualquer forma, em ambos os casos, você deverá usar um comando como o de abaixo:

api.thingspeak.com/update?key=YOUR_WRITE_KEY&field7=1

Com o comando acima, por exemplo (e usando a sua chave de escrita de canal), você vai escrever “1” no Field 7, o que significa que a bomba deve ser ligada. Você pode facilmente testá-lo, escrevendo a linha de comando acima no seu navegador, o campo correspondente no seu canal será alterado. Como um retorno, o navegador irá mostrar uma página em branco com um único número no canto superior esquerdo, correspondente à entrada de dados sequencial no seu canal.

Até agora, 50% do trabalho está feito! Agora você deverá ler este “comando” (conteúdo  do campo), na estação local do ArduFarmBot .

O comando para fazer isso é mostrado abaixo. Ele vai obter o último dado que foi escrito no campo específico (que em nosso caso será um “comando”).

api.thingspeak.com/channels/CHANNEL_ID/fields/7/last

Da mesma forma como fizemos antes, você poderá testar a linha de comando, usando seu navegador. Neste caso, o navegador irá mostrar-lhe o dado armazenado esse campo específico. Veja abaixo:

Voltando à “terra”, escreveremos uma função que lerá este “último campo”:

/***************************************************
* Read data from field7 of thingspeak.com
****************************************************/
int readLastDataField7()
{
  startThingSpeakCmd ();

  // "GET /channels/CHANNEL_ID/fields/7/last";
  cmd = msgReadLastDataField7; 
  cmd += "\r\n";

  String messageDown = sendThingSpeakCmd();
  Serial.print("Command received: ");
  Serial.println(messageDown[7]);
  
  int command = messageDown[7]-48; 
  return command;
}

A função acima retornará o dado contido no Field 7 (“1” ou “0”). Uma função semelhante deve ser escrita para o Field 8.

Uma vez que já possuímos o conteúdo de ambos os campos, devemos utilizá-los em uma função que comandará os atuadores de maneira semelhante ao que fizemos com a “função de comando manual”:

/***************************************************
* Receive Commands from thingSpeak.com
****************************************************/
void receiveCommands()
{
  field7Data = readLastDataField7();
  if (field7Data == 1) 
  {
    digitalWrite(PUMP_PIN, HIGH);
    pumpStatus = 1;
    showDataLCD();
  }
  if (field7Data == 0) 
  {
    digitalWrite(PUMP_PIN, LOW);
    pumpStatus = 0;
    showDataLCD();
  }

  delay (500); 
  
  field8Data = readLastDataField8();
  if (field8Data == 1) 
  {
    digitalWrite(LAMP_PIN, HIGH);
    lampStatus = 1;
    showDataLCD();
  }
  if (field8Data == 0) 
  {
    digitalWrite(LAMP_PIN, LOW);
    lampStatus = 0;
    showDataLCD();
  }
  delay (500); 
}

Assim, a partir de agora você pode usar a linha de comando no seu navegador para ligar / desligar a bomba e a lâmpada remotamente. Abaixo, se pode ver como o comando recebido aparecerá no monitor serial:

Outra consideração importante é a “coordenação” entre o comando local e o remoto. Teremos de alterar a função readLocalCmd () para que também atualizemos os Fields7  e 8 do Thinkspeak respectivamente,  como o estado da bomba e da lâmpada:

field7Data = pumpStatus;

field8Data = lampStatus;

Agora “filed7Data” e “field8Data” estão em sincronia com os comandos da página web e também com as ações de comando locais quando você pressiona um botão. Então, vamos atualizar a função aplyCmd (), que é a responsável para ligar / desligar os atuadores:

/***************************************************
* Receive Commands and act on actuators
****************************************************/
void aplyCmd()
{
  if (field7Data == 1) digitalWrite(PUMP_PIN, HIGH);
  if (field7Data == 0) digitalWrite(PUMP_PIN, LOW);
  
  if (field8Data == 1) digitalWrite(LAMP_PIN, HIGH);
  if (field8Data == 0) digitalWrite(LAMP_PIN, LOW);
}

Quando você começar seus testes,  perceberá que qualquer comando executado manualmente no local ou via web, será superado pelas ações automáticas definidas pela função autoControlPlantation(). Neste ponto, você deve considerar quem será o “chefe” (ou patroa…), o qual terá a última palavra! Em nosso caso definiremos o seguinte:

• Em cada ciclo de loop, que é quase “sempre”, verificamos se um botão local é pressionado
• Aproximadamente a cada minuto, faremos um “pooling” no ThinkSpeak e verificamos se existe um nova ordem manual desde lá.
• Aproximadamente  a cada 10 minutos, leremos os sensores, atualizando os dados no ThinkSpeak e mais importante,  executamos as medidas automáticas, que serão tomadas independente das que foram selecionados manualmente e será aquela que irá ser mantido.

Você pode alterar a lógica da maneira que melhor se adapte ao seu projeto. Essa é a coisa boa sobre o uso de um processador programável, como o Arduino para controlar coisas!

Assim, 2 temporizadores serão utilizados agora, um para agrupar os comandos remotos e outro para ler os sensores (o mesmo que foi utilizado anteriormente):

long sampleTimingSeconds = 75; // ==> ******** Define Sample time in seconds to read sensores *********
int reverseElapsedTimeSeconds = 0;
long startTiming = 0;
long elapsedTime = 0;
long poolingRemoteCmdSeconds = 20; // ==> ******** Define Pooling time in seconds for new ThingSpeak commands *********
long startRemoteCmdTiming = 0;  
long elapsedRemoteCmdTime = 0;

A função loop () deverá ser reescrita da seguinte forma:

void loop() 
{
  elapsedRemoteCmdTime = millis()-startRemoteCmdTiming;   // Start timer for pooling remote commands
  elapsedTime = millis()-startTiming;   // Start timer for measurements
  reverseElapsedTimeSeconds = round (sampleTimingSeconds - elapsedTime/1000);

  readLocalCmd(); //Read local button status
  showDataLCD();

  if (elapsedRemoteCmdTime > (poolingRemoteCmdSeconds*1000)) 
  {
    receiveCommands();
    updateDataThingSpeak();
    startRemoteCmdTiming = millis();
  }
  
  if (elapsedTime > (sampleTimingSeconds*1000)) 
  {
    readSensors();
    autoControlPlantation();
    updateDataThingSpeak();
    startTiming = millis();
  }
}

Neste ponto o nosso ArduFarmBot está operacional e pode ser controlado a partir da web. Você pode monitorar os dados no site do Thinkspeak e também enviar comandos utilizando-se de um navegador, mas é claro que esta “solução web” não pode ser considerado “elegante”! A melhor maneira de implementar uma solução real para IoT, é desenvolver uma página web completa, a qual além de exibir todos os dados, também possuirá botões para ativação dos atuadores.

Para hospedar nossa página web, escolhí o Byethost, um site gratuito, muito fácil e simples para lidar com suas páginas. Também aproveitei a oportunidade de aplicar neste projecto, o que eu aprendi em uma fantástica especialização on-line no Coursera / Universidade de Michigan:Learn to Design and Create Websites (Construindo um portfólio web ágil e acessível usando HTML5, CSS3 e JavaScript ).

Não entrarei em detalhes como desenvolver esse tipo de página, uma vez que este não é o propósito central deste tutorial, mas incluirei aqui o HTML, CSS e códigos fonte do JavaScript que desenvolvi exclusivamente para minha página. Uma vez que alguém tenha interesse em como cheguei ao projeto final, podemos discuti-lo utilizando-se do Painel de Comentários no final do post.

É importante reforçar que essa página não trabalha diretamente com a Estação de Controle ArduFarmBot Local. O que ela está fazendo realmente é, interagir com o canal do ThinkSpeak  como descrito abaixo:

1. Ler dados de sensores dos Fields 1, 2, 3, 4
2. Ler estado do atuadores  (“Echo”) dos Fields  5 e 6
3. Armazenar dados (comandos) nos Fields 7 e 8
4. Ler dados meteorológicos locais (Yahoo)

O item 4 acima não é realmente crucial para o projeto, mas é importante ter dados adicionais disponíveis no caso de você querer tomar algumas ações remotas independente do que está acontecendo localmente com plantação do seu tomate. Outra consideração é que você pode, por exemplo, armazenar esses dados em outro canal ThingSpeak e transferir-los para o Arduino, mostrando dados meteorológicos no display LCD local por exemplo (eu desenvolvi isto em outro projeto que funcionou bem! Deixo aqui como uma sugestão para você).

Na primeira parte deste projeto, definimos algumas considerações preliminares sobre como os atuadores devem agir em função da leitura dos sensores. Naquele caso, fizemos unicamente opções simples, mas o que vai acontecer se tivermos uma situação mais complexa? Várias condições diferentes? O que iremos desenvolver aqui é uma nova abordagem que chamaremos de “Matriz Sensor – Atuador”.

Em uma planilha foram definidas para cada sensor, as diferentes condições possíveis  e como deveria ser a respectiva saída dos atuadores. O resultado pode ser observado na planilha Excel abaixo.

Na planilha Excel, existem duas Tabs. Uma com filtro como mostrado acima e outra que além da seleção, te permite obter o “codigo”binário que deverá ser carregado na varíavel da Matriz.

Uma vez definida, a matriz deverá ser carregada em nosso código. Um array de 18 linhas e 10 colunas foi criado para este propósito:

//                       +---SOIL----+-LIGHT-+---TEMP---+---ACTUAT----+
 //                        SL  SM  SH  LL  LH  TL  TM  TH   Pump   Lamp
boolean SDf [18] [10] = {{  1,  0,  0,  0,  1,  0,  0,  1,    1,    0 }, 
                          { 1,  0,  0,  0,  1,  0,  1,  0,    1,    0 }, 
                          { 1,  0,  0,  0,  1,  1,  0,  0,    1,    1 }, 
                          { 1,  0,  0,  1,  0,  0,  0,  1,    1,    0 }, 
                          { 1,  0,  0,  1,  0,  0,  1,  0,    1,    0 }, 
                          { 1,  0,  0,  1,  0,  1,  0,  0,    0,    1 }, 
                          { 0,  1,  0,  0,  1,  0,  0,  1,    0,    0 }, 
                          { 0,  1,  0,  0,  1,  0,  1,  0,    0,    0 }, 
                          { 0,  1,  0,  0,  1,  1,  0,  0,    0,    1 }, 
                          { 0,  1,  0,  1,  0,  0,  0,  1,    0,    0 }, 
                          { 0,  1,  0,  1,  0,  0,  1,  0,    0,    1 }, 
                          { 0,  1,  0,  1,  0,  1,  0,  0,    0,    1 }, 
                          { 0,  0,  1,  0,  1,  0,  0,  1,    0,    0 }, 
                          { 0,  0,  1,  0,  1,  0,  1,  0,    0,    0 },
                          { 0,  0,  1,  0,  1,  1,  0,  0,    0,    1 },
                          { 0,  0,  1,  1,  0,  0,  0,  1,    0,    0 },
                          { 0,  0,  1,  1,  0,  0,  1,  0,    0,    1 },
                          { 0,  0,  1,  1,  0,  1,  0,  0,    0,    1 },
                         };

Para trabalhar com a Matrix, criou-se a função defSensorStatus (). Esta função testa para cada linha se a condição das 8 primeiras colunas são TRUE. Se sim, as condições definidas nas 2 últimas colunas são executadas.

por exemplo:

if (1 and 0 and 0 and 0 and 1 and 0 and 0 and 1) { pumpStatus = 1; lampStatus = 0}

else if (1 and 0 and 0 and 0 and 1 and 0 and 1 and 0) { pumpStatus = 1; lampStatus = 0}

e assim por diante …

Dentro da função acima outra array é criada com o estado de cada leitura do sensor:

boolean snsSts[8]={0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}; // SL, SM, SH, LL, LH, TL, TM, TH

Esta array variável será também utilizado para o registo do LOG.

Segue abaixo a planilha excel:

ARDUFARMBOT SENSOR ACTUATOR MATRIX NEW.xlsx

2.8: Otimizando o código