Bluetooth Embedded System for Room-Safe Temperature Monitoring - PDF
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Walter Cavalheiro de Lacerda
1 Bluetooth Embedded System for Room-Safe Temperature Monitoring T. O. Loup, M. Torres, F. M. Milian and P. E. Ambrósio Abstract This article describes the development of an embedded system projected as a security measure for room-safe of servers. The system monitors the temperature of a room-safe and sends a message via Bluetooth to shut down the servers when the room temperature exceeds safety levels. Keywords Microcontroller, Bluetooth, Arduino, temperatura monitoring. I. INTRODUÇÃO SISTEMA de Monitoramento da Temperatura foi Omotivado pelos constantes problemas nos aparelhos de ar-condicionado ou quedas de energia nas salas-cofre de centros de processamento de dados de empresas e unidades acadêmicas. Os aparelhos de ar-condicionado desligam e os computadores não desligam por causa dos nobreaks. Quando isso ocorre e não tem um recurso humano para religar o arcondicionado, ao retornar da energia, ou desligar os equipamentos a sala-cofre esquenta e isso pode danificar os equipamentos além do risco de incêndio. O projeto desenvolvido é um sistema embarcado para realizar o desligamento via Bluetooth de computadores em casos de altas temperaturas. Tem como objetivo evitar danos aos computadores. O público-alvo do projeto abrange todas as instituições, sejam elas corporativas ou educacionais, que possuem salacofre com Servidores Windows e pretendem adquirir um dispositivo de segurança para seus equipamentos. O hardware do projeto pode funcionar em outros sistemas operacionais, sendo necessário implementar um daemon no sistema operacional para que este se comunique com o módulo Bluetooth. Na construção do circuito ocorreu uma fase de pesquisa dos equipamentos que foram utilizados e a conexão entre estes. Foram analisadas as possíveis maneiras de comunicação entre o microcontrolador e o servidor, sendo aplicada a essa solução a tecnologia Bluetooth. Existem outras soluções similares para a realização do monitoramento da temperatura para sala-cofre. Uma das soluções é o Sistema de Sensoriamento Remoto de Temperatura desenvolvido por Lucas Alves de Jesus [1], T. O. Loup, AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES , Brasília DF, M. Torres, Universidade Estadual de Santa Cruz (UESC), Ilhéus-Ba, F. M. Milian, Universidade Estadual de Santa Cruz (UESC), Ilhéus-Ba, P. E. Ambrosio, Universidade Estadual de Santa Cruz (UESC), Ilhéus-Ba, aluno da Universidade Estadual de Santa Cruz do curso de Ciência da Computação. Nessa solução o microcontrolador se conecta por um cabo de rede a um roteador wireless e este se conecta a um Servidor Linux, que possui um daemon que fica monitorando a conexão, caso a temperatura esteja alta é executado o comando para desligamento do Servidor. Outra solução existente é o projeto de um sistema microcontrolado utilizando internet embarcada para monitoramento remoto em tempo real de temperatura e disponibilização dos dados na WEB através de conexão de rede [2]. Este projeto foi desenvolvido por Johnny Cezar Marçal dos Santos, aluno da Universidade Federal do Rio Grande do Norte do curso de Engenharia da Computação. As soluções têm as mesmas finalidades, todas pretendem realizar o monitoramento da temperatura em um determinado ambiente, o que as diferenciam são os métodos de como realizar esse monitoramento. Ou seja, o Wi-Fi foi projetado para redes na sua essência, já o Bluetooth foi projetado para substituir o Infravermelho, e todos os fios que interligam dois dispositivos em um computador. Uma das maiores vantagens do Bluetooth é a sua fácil comunicação entre os dispositivos que o utilizam, sem precisar de qualquer configuração. Antes da conexão ser estabelecida, o aparelho destino (escravo) recebe um pedido de autorização do aparelho "mestre" para que a conexão seja efetivada (caracterizando uma sincronização bidirecional), esse método torna a comunicação mais segura do que em um modelo Wi-Fi o qual não necessita de autorização do aparelho mestre para estabelecer a conexão (caracterizando uma sincronização unidirecional), sendo necessário somente a senha do roteador. Outro fator relativo à segurança é em relação ao alcance das tecnologias, o Bluetooth tem menor alcance do que o Wi-Fi o que diminui o raio de atuação de invasões por essa tecnologia aos servidores da sala-cofre. Uma vez estabelecida a conexão entres os dispositivos, estes podem ser utilizados para executar comandos, trocar arquivos, fotos, imagens, transmitir músicas e sincronizar dados. Na próxima seção apresentam-se os materiais e métodos utilizados para a elaboração deste projeto. A seção III relata o funcionamento do projeto e o seu resultado. A seção IV demonstra possíveis evoluções do sistema no futuro e a seção V é a conclusão de todo o projeto. II. MATERIAIS E MÉTODOS Os recursos utilizados para a realização do projeto estão descritas a seguir:
2 Um sensor de temperatura LM35, escolhido por ser barato e preciso além de ter uma ampla faixa linear de medição que vai de -55 C a 150 C. Uma placa de microcontrolador, a Arduino Duemilanove (2009), esta possui um conversor analógico-digital e é baseada no ATmega328 [3]. Possui 14 pinos de entrada/saída digital (dos quais 6 podem ser usados como saídas analógicas PWM - modulação por largura de pulso), 6 entradas analógicas, um cristal oscilador de 16 MHz, uma conexão USB, uma entrada para alimentação, um cabeçalho ICSP que permite programar diretamente no chip - e um botão de reset [4]. O diferencial é que ela é desenvolvida e aperfeiçoada por uma comunidade que divulga seus códigos de aplicação. A concepção da placa é opensource. Um módulo Bluetooth com o circuito necessário para este se comunicar com o microcontrolador. Possui alcance em área aberta em torno de 800 a 1000m. Uma mini protoboard onde fica acoplado o módulo Bluetooth e o sensor de temperatura LM35. Um adaptador Bluetooth USB para o computador receber a informação do microcontrolador. Uma fonte de alimentação de 7,5V para o microcontrolador. No projeto foi utilizada a tecnologia Bluetooth que possui vantagens como [5]: Quaisquer dois dispositivos podem ser conectados uns aos os outros sem o uso de cabos ou fios. Não é necessário manter os dispositivos em linha de visão, ou melhor, se algum objeto estiver entre dois dispositivos que queiram se comunicar, não existe problema para Bluetooth, mas para o IrDa (conexão via porta Infravermelha) existe; Atender soluções que necessitam de comunicação sem fio a baixo custo; Baixo consumo de energia. O módulo Bluetooth é todo em SMD (Surface Mounting Device - Refere-se à categoria de dispositivos e componentes que são montados sobre a superfície da placa de circuito impresso ao invés de inserido sobre furos, conforme tecnologia de montagem de superfície. Tal técnica de montagem faz com que os componentes sejam menores, otimizando o espaço na placa e permitindo a construção de placas de alta densidade, entretanto, exige máquinas especiais para montagem e soldagem do componente na placa [6].) e foi necessário outra placa para disponibilizar os pinos para protoboard a qual possui um led e um resistor para mostrar o status do Bluetooth. O módulo Bluetooth possui 3 pinos encaixados à mini protoboard. Sendo que o primeiro pino é alimentado por 3.3V. O segundo pino é o terra. E o terceiro pino é o RX (recepção de dados). O sensor de temperatura LM35 também possui 3 pinos. O primeiro pino, o da esquerda, é alimentado com 5V. O do meio é onde sai a temperatura, é o Vout da temperatura, é a tensão. E o da direita é o terra. A Fig. 1 mostra o sensor de temperatura LM35 e a descrição dos pinos. Figura 1. Sensor de temperatura LM35 [7]. O microcontrolador Arduino Duemilanove é uma plataforma aberta, baseada em uma placa com simples entradas e saída (input/output) e um ambiente desenvolvido que implementa e processa linguagens. A placa de desenvolvimento Arduino possui um microcontrolador Atmega328. É utilizado para prototipagem rápida e possui um conversor analógico-digital. Esse microcontrolador tem disponível uma saída de 5V e 3.3V para ligar o LM35 e o módulo Bluetooth respectivamente, também tem o Tx (transmissão de dados) e o Rx (recepção de dados) que fazem a comunicação com o módulo Bluetooth. O microcontrolador Arduino é diferente das outras plataformas do mercado devido às seguintes características: É um ambiente multiplataforma que pode ser executado no Windows, Macintosh e Linux; É baseado no processamento de programação da IDE, um ambiente de desenvolvimento muito fácil de usar por projetistas; Pode programar via cabo USB. Esta característica é muito útil, pois muitos modems de computadores não possuem porta serial. É um "open source hardware e software" se desejar pode baixar o diagrama do circuito, comprar todos os componentes e fazer a sua própria placa. Existe uma comunidade ativa para usuários, por isso, existe uma quantidade enorme pessoas que podem ajudar. O projeto do Arduino foi desenvolvido em um ambiente educacional, portanto é excelente para os iniciantes obterem projetos trabalhando de modo rápido. A Fig. 2 mostra uma imagem da placa do microcontrolador Arduino Duemilanove.
3 Figura 2. MicrocontroladorArduinoDuemilanove [8]. III. FUNCIONAMENTO E RESULTADO DO PROJETO O projeto foi dividido em 3 partes, a primeira parte visou a criação do daemon que fica em execução nos Servidores Windows da Sala-Cofre, a segunda contempla o sensoriamento da temperatura ambiente realizada pelo sensor de temperatura LM35 e a terceira faz a criação de um aplicativo no microcontrolador que converte o sinal de Tensão para temperatura em Graus Celsius. Caso essa temperatura ultrapasse 25ºC o aplicativo envia essa informação, através do módulo Bluetooth para os servidores desligarem. O funcionamento do projeto inicia com o emparelhamento entre o Sistema de Monitoramento da Temperatura e o Servidor Windows. Para esse emparelhamento acontecer é necessário ir ao Painel de Controle do Windows e depois em Adicionar Dispositivo. O servidor Windows executa um daemon criado com a Linguagem de programação Visual Basic que se conecta pela porta COM do Bluetooth ao módulo Bluetooth do microcontrolador e fica esperando receber uma mensagem deste informando que a temperatura passou de 25ºC e assim desligar o equipamento. No desenvolvimento do Script foi utilizado o Microsoft Visual Studio 6.0. Ao executar o daemon no servidor Windows será requerido a porta COM do adaptador Bluetooth para iniciar a conexão. O servidor Windows e o microcontrolador tentarão emparelhar, caso ocorra algum problema uma mensagem de erro será exibida na tela. O daemon ficará monitorando se recebe uma mensagem por Bluetooth do microcontrolador. Se a temperatura ambiente estiver maior do que 25ºC o servidor Windows recebe uma mensagem do microcontrolador e através do script realiza o desligamento. O Visual Basic utiliza o componente Microsoft Common Control (MSCOMM32.OCX) para fornecer interface para um conjunto de comandos de comunicação padrão, como por exemplo: conectar com uma porta serial, conectar com outro dispositivo de comunicação, trocar dados, monitorar e responder a vários eventos durante uma comunicação serial. O arquivo MSCOMM32.OCX deve ser salvo na pasta C:\WINDOWS\system32. A Fig. 3 mostra o daemon desenvolvido em Visual Basic. Figura 3.. Daemon do Servidor Windows. A captação da temperatura ambiente é realizada pelo sensor de temperatura LM35, este envia a informação pelo pino do meio, em forma de tensão, à entrada analógica do microcontrolador Arduino. Este tem 6 entradas analógicas, cada uma delas está ligada a um conversor analógico-digital de 10 bits, ou seja, transformam a leitura analógica em um valor dentre 1024 possibilidades. O sensor de temperatura LM35, pela descrição do datasheet, é LINEAR. O fator de escala do sensor LM35 é 0,01V por grau Celsius, ou seja, a cada 0,01V no pino Vout corresponde a 1ºC. Se a tensão tiver 0,5V tem-se uma temperatura de 50ºC. Se a tensão tiver 1V, tem-se uma temperatura de 100ºC, o cálculo da temperatura em graus Celsius segue essa proporção. A medição da temperatura é realizada da seguinte maneira: o microcontrolador Arduino recebe a tensão do sensor de temperatura LM35, processa a informação através de um código em C e transforma para graus Celsius. Segue trecho do código em C que transforma a tensão do sensor LM35 em graus Celsius: temp = analogread(lm35)*multiplicadorad; onde: temp é a temperatura em graus Celsius; analogread(lm35) é a tensão emitida pelo sensor LM35; multiplicadorad possui valor de que é a precisão do conversor A/D de 10 bits com AREF - voltagem de referência para as entradas analógicas - de 5 volts [9]. Esse programa foi desenvolvido na plataforma do Arduino. O site do Arduino disponibiliza o pacote de desenvolvimento [10]. Quando dois ou mais dispositivos se comunicam através de uma conexão Bluetooth, eles formam uma rede denominada piconet. Nessa comunicação, o dispositivo que iniciou a conexão assume o papel de master (mestre), enquanto que os demais dispositivos se tornam slave (escravos). Cabe ao master a tarefa de regular a transmissão de dados entre a rede e o sincronismo entre os dispositivos [11].
4 Com o valor da temperatura armazenado em uma variável e caso esta seja maior do que 25ºC, o microcontrolador envia essa informação pelo módulo Bluetooth para o servidor Windows. O servidor Windows deverá ter conexão Bluetooth ou portar um adaptador Bluetooth USB para receber as informações enviadas pelo microcontrolador. Ao receber a informação, o servidor Windows, através do daemon que está realizando o monitoramento, é desligado. A Fig. 4 mostra o circuito do Sistema de Monitoramento da Temperatura. Figura 4.. Circuito do Sistema de Monitoramento da Temperatura de Sala- Cofre. Ao alimentar o Microcontrolador com uma fonte de alimentação de 7,5V, o led do módulo Bluetooth começa a piscar. Isso demonstra que está pronto para realizar a conexão com o computador. Ao realizar a conexão do módulo Bluetooth com o servidor a luz se mantém continuamente acesa. IV. TRABALHOS FUTUROS Em relação à evolução do projeto para implementações futuras foram analisados novos procedimento para torná-lo mais robusto. Uma das soluções é desenvolver aplicativos para ajudar na segurança da comunicação Bluetooth, para evitar invasões de Hackers ou Crackers aos Servidores da Sala-Cofre. Outra evolução no sistema seria realizar o monitoramento da temperatura ambiente com certo grau de inteligência, a solução proposta visa alterar a implementação do código em C do microcontrolador, fazendo com que este espere a estabilização da temperatura em 25 C por um determinado período de tempo para não ser confundido com picos de temperatura aleatória, como por exemplo, passar algo quente perto do sensor de temperatura e este desligar os equipamentos sem real necessidade. V. CONCLUSÃO A solução obteve como resultado o monitoramento da temperatura de um ambiente de Sala-Cofre. O desenvolvimento do projeto proporcionou pesquisas e estudos em componentes eletrônicos para saber quais se adequavam melhor à solução proposta. Foi necessário também o conhecimento da linguagem de programação C para implementar um aplicativo no microncontrolador e conhecimento na linguagem de programação Visual Basic para implementar um aplicativo no servidor. O projeto mostrou-se uma solução corporativa que pode ser implantada em empresas que possuem sala-cofre. Levando à empresa, que adquira a solução, segurança para seus equipamentos de computação. AGRADECIMENTOS Agradecemos ao Ministério de Ciência e Tecnologia e ao Conselho Nacional de Pesquisa pelo apoio ao projeto através do Edital MCT/CNPq nº 11 / Extensão Inovadora À professora Martha Ximena Torres Delgado pela paciência na orientação e incentivo que tornaram possível a conclusão deste projeto, além do apoio e inspiração no amadurecimento dos meus conhecimentos e conceito. A todos os professores da UESC do Colegiado de Ciência da Computação, em especial, Aprígio Bezerra, Carlos Pereira (Carlão), Félix Mas Milian, Péricles de Lima Sobreira, Teodoro Pires Junior, que foram tão importantes na minha vida acadêmica e no desenvolvimento deste projeto. Aos amigos e colegas, em especial, Jurandir, Hélio, Emanuel, Augusto e Ciro, pelo incentivo e pelo apoio constantes. Agradecemos ao Dr. César Alberto Bravo Pariente pela sua ajuda com a editoração final do artigo. REFERÊNCIAS [1] L. A. De Jesus. Sistema de Sensoriamento Remoto de Temperatura. Trabalho de Conclusão de Curso pela Universidade Estadual de Santa Cruz. [2] J. C. M. Dos Santos. Projeto de um sistema microcontrolado utilizando Internet embarcada para monitoramento remoto em tempo real de temperatura e disponibilização dos dados na WEB através de conexão de rede. Acesso em: 06/04/2011: [3] Arduino Duemilanove. Acesso em: 05/04/2011: [4] E. G. P. da Fonseca, M. M. Beppu. Apostila Arduino. Acesso em: 06/04/2011: Arduino.pdf. [5] José F. de Rezende. Vantagens e Desvantagens do Bluetooth. Acesso em: 05/04/2011: agens.html. [6] Monitor de Temperatura com Log. Acesso em: 06/04/2011: [7] Dígitro Tecnologia. Glossário Tecnológico. Coordenação Eng. J. Anderson, desenvolvida por Adm. C. B. Kerber, apresenta termos tecnológicos na área de telecomunicações. Acesso em: 06/04/2011: [8] MAURO. Acesso em: 05/04/2011: ew=article&id=157:arduino-hardware-e-software-qopensourceq&catid=44:dicas&itemid=59.
5 [9] Tutoriel 2 - Enregistreur de température basé sur le capteur LM35. Disponível em: [10] ARDUINO. Acesso em: 05/04/2011: [11] E. Alecrim. Acesso em: 05/04/2011: T. O. Loup Nasceu em Itabuna, Bahia, Brasil, aos 18 de Maio de Graduou-se em Ciência da Computação na Universidade Estadual de Santa Cruz em 2007, pós-graduando em Sistemas Embarcado na Universidade Estadual de Santa Cruz ingresso em Seus interesses estão relacionados com Governança de TI na Administração Pública Federal. M. Torres Nasceu em Cali, Colômbia, aos 18 de Abril de Graduou-se em Engenharia Elétrica na Universidad Del Valle em 1991, Mestre em Sistemas Eletrônicos na Universidade de São Paulo em 1994 e Doutor em Sistemas Eletrônicos na Universidade de São Paulo em Trabalha no Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas da Universidade Estadual de Santa Cruz, Ilhéus, Bahia, onde é professora desde 2004 e coordena o Programa de Pós-Graduação em Sistemas Embarcados. Seus interesses estão relacionados com sistemas embarcados, computação de alto desempenho e bioinformática. F. M. Milian, nasceu em Havana, Cuba, o 23 de novembro de Graduo-se em Licenciado em Física Nuclear no Instituo Superior de Ciências y Tecnologia Nucleares (ISCTN) Cuba em 2001, Mestre em Física Nuclear com enfase em Instrumentação Nuclear na mesma instituição em 2002, e Doutor em Física na Universidade de São Paulo em Trabalha no Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas da Universidade Estadual de Santa Cruz, Ilhéus, Bahia, onde é professor desde Seus interesses estão relacionados com sistemas embarcados e simulação computacional de fenômenos físicos. P. E. Ambrósio Nasceu em Franca, SP. Graduado em Processamento de Dados pela Unifran em 1989, e Licenciado em Física pela Universidade de Franca em Mestre em Física Aplicada à Medicina e Biologia pela Universidade de São Paulo em 2002 e Doutor em Ciências Médicas pela Universidade de São Paulo em Trabalha no Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas da Universidade Estadual de Santa Cruz, Ilhéus, Bahia, onde é professor desde 2008 e é Coordenador Adjunto do Núcleo de Educação a Distância. Seus interesses estão relacionados a Informática Biomédica, Reconhecimento de Padrões e Computação Bioinspirada.
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