Smart Environment

Smart Environment pretende dar ouvidos ao Meio Ambiente, sentindo os fenómenos de forma precisa e quantitativa e qualificativa para que nós possamos perceber fenómenos ambientais e como agir!

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**link para ficheiros e documentos na DRIVE** volto a postar em baixo da apresentação
https://drive.google.com/drive/folders/19Ae_fBVSIz1R1qLw6wKkM3FWqEaAhjru?usp=sharing

INTRODUÇÃO


   O desperdício de água é um fator determinante de problemas ambientais que o mundo tem enfrentado nas últimas décadas e por isso, a preservação bem como o uso racional da água é um dos assuntos mais recorrentes deste século.

O desperdício de água é derivado do mau uso deste recurso no consumo industrial, residencial e agrícola que também são focos de poluição ambiental.

Para fazer face a estes problemas é necessário ter uma consciência actualizada da quantidade e da qualidade dos recursos ambientais utilizados por forma a tomar decisões conscientes e sustentáveis.


  Ter consciência é a capacidade de reflectir sobre si mesmo, seus actos e consequências.

A consciência ambiental é a reflexão com foco no meio ambiente: o que uma simples atitude do dia a dia provoca no ecossistema? Que impacto tem a utilização de recursos sem consciência?

Na sociedade moderna somos protegidos por tecnologias artificiais que permitem o acesso indiscriminado a fontes de energia e recursos que nos tornam surdos às vozes da Natureza, por isso é imperativo direcionar essas mesmas tecnologias para sentir o meio ambiente.

Para compreendermos o que se passa quantificamos e qualificamos os fenómenos à nossa volta.

  

  O conceito de sustentabilidade ambiental define a maneira como nós, seres humanos, utilizamos os recursos ambientais para sustentar as nossas necessidades, sem que isso provoque o esgotamento e haja reposição para as próximas gerações.

É essencial ter uma consciência precisa sobre os valores dos recursos e a sua disposição a nível global numa perspectiva local ao longo do tempo para avaliar e decidir o melhor plano de acção que permita minimizar o impacto ambiental do consumo imediato.



  Tornar algo smart é delegar o processamento de dados à tecnologia.

A rede Smart Environment é a aplicação de sensores IoT que registam as condições ambientais em bases de dados na internet consumidas por algoritmos de inteligências artificiais por forma a mobilizar mecanismos de alerta e ação precisos em tempo real.

A rede é composta por vários nós de sensores ambientais, ligados a uma unidade de processamento central, responsável por coordenar e ligar a rede à internet.




  Quando o assunto é monotorizar e agir com precisão a solução mais eficiente é delegar tais funções a computadores especializados. Hoje e cada vez mais no futuro estes computadores existem e comunicam entre si alimentando centros de BigData onde verdadeiras inteligências artificiais evoluem com as melhores soluções para todo o tipo de problemas. Delegar tais funções nas máquinas é confiar na imparcialidade e trabalho incansável para o qual foram programadas por pessoas para pessoas.


  É importante conhecer os problemas para chegar às soluções. É possivel construir aparelhos com uma panóplia de sensores, ao mesmo tempo que fazem cálculos, emitem alertas e actuam, tudo em microsegundos. No entanto a base está em ter um processador, uma memória, uma bateria e um meio de comunicação.

Tipos de nós de sensores na Rede LoRa

 


A nossa aposta é no ESP32 por integrar Wifi e Bluetooth de baixo consumo com um bom processador capaz de deep sleep mode, estado em que o consumo de energia baixa para 10 microamperes onde passará a maior parte do tempo que é essencial para aguentar anos apenas com uma pilha sem manutenção. Por esta mesma razão, a topologia da rede escolhida é STAR e não MESH, onde os nós não comunicam entre si, apenas com uma torre central ou em caso de necessidade de distâncias ou tráfego elevado por routers. Definimos o nó base como o conjunto de ferramentas necessárias em todos os nós para a capacidade de se alimentar com uma bateria e um painel fotovoltaico através de um circuito de carregamento, um cartão de memória para assegurar que todos os dados recolhidos não se perdem. Um relógio independente de alta precisão para saber quando fazer algo e registar essa data. Por ultimo um meio de comunicação sem fios de longa distância e muito baixo consumo numa modulação espectral LoRa.


Tendo em conta todos os recursos do nó Base, definimos outros nós de acordo com a sua função que neste caso é de recolher dados do ambiente e condições meteorológicas, onde o acesso a condições como a temperatura, luminosidade, indice UV, chuva e vento é determinante para efectuar regas eficientes. O sensor de gás MQ2 é também perfeito para identificar focos de incêndio e por isso utilizado em quase todos os nós. Outra caracteristica importante é o circuito de saída digital nestes componentes capazes de acordar um microcontrolador em modo de sono profundo para efectuar acções de emergência.


O nó responsável pela monotorização dos solos está munido de sensores de humidade de solo dispostos em 3 profundidades distintas, um termometro infravermelho capaz de registar a temperatura no solo e ambiental e um sensor NPK (Azoto, Fósforo e Potássio) principais ingredientes dos adubos e essencial para garantir uma dosagem precisa. Não obstante as medições de PH e Conductividade são fortes indicadores da qualidade dos solos.


Para garantir uma utilização eficiente e de qualidade da àgua na agricultura, jardins e rios é necessário saber o seu potencial de oxidação redução, traduzindo o poder da àgua oxidar células dos seres vivos, formando radicais livres e envelhecendo e matando precariamente em quem nelas se banha ou consome. Para conhecer o nivel de contaminação utilizamos o EC TDS, sensor de conductividade que nos informa a toxicidade em PPM (partes por mil) dessa àgua. Naturalmente o Ph e a temperatura são registos cruciais. Ainda um sensor de fluxo de fluidos para quantificar a quantidade de àgua consumida e por ultimo um sensor piezométrico de pressão para manter o registo constante do nivel das àguas de poços e dos lençóis freáticos, temática abordada no estudo do uso de àgua por parte da Gulbenkian que impressionantemente destaca o seu esgotamento sem consciência nem sustentabilidade.


   Equipado com GNSS de alta precisão (saliantando o Galileu, o mais moderno e recente sistema que é Europeu e o unico sem controlo militar), comunicação GSM/GPRS e LoRa este pequeno e poderoso microcontrolador SAMD21 é capaz de se orientar em qualquer parte do mundo. Pode não parecer ter uma relevancia grande no âmbito dos nossos problemas, no entanto é critico ter um aprelho de posicionamento exigente para dar as coordenadas sempre que for preciso.

 

Por fim temos o Power Node que ao contrário dos anteriores não é dotado de sensores mas sim de actuadores, nomeadamente de tecnologia MOSFET a funcionar como interruptores de potência para qualquer necessidade, desde luzes e torneiras este equipamento é capaz de accionar qualquer dispositivo mesmo de alta tensão e corrente. Melhores que os clássicos relés, duram mais com melhor eficiência e velocidade de mudança de estados e ainda permitem regular toda uma gama de valores de tensão em oposição ao clássico interruptor liga desliga, cuja importância se verifica no manuseamento de motores ou luzes.


Gateway é o portão que transporta todos estes sentidos para uma inter ou intranet. Assim é possivel controlar toda a rede LoRaWAN. Munido de todos os principais meios de telecomunicações é feita uma aplicação de interface para uma boa experiência de usuário. É também a partir desta Gateway que vamos guardar todos recursos num servidor com base de dados SQL e ficheiro JSON.


  Identificados os nós e os sensores partimos para a concepção de uma placa onde vamos soldar toda a electónica de forma compacta e segura com capacidade para suportar todos os meios de comunicação necessários e em quantidade suficiente. A placa mede 100mm X 100mm.


A importância da tecnologia LoRa tem uma relevância enorme no conceito de redes WAN (wide area network) de sensores, visto que alcança distâncias consideráveis a um custo energético muito baixo, com o contra de ter baixa largura de banda, não influência muito em estruturas que transmitem poucos bytes de informação. Outro conceito que gostaria de apontar é o TTN (The Things Network) a maior rede LoRaWAN publica que cada vez mais popular oferece o poder IoT a qualquer end-device.


Proof of concept


Este protótipo do Soil Node acenta num microcontrolador ESP32 munido de chip Wifi e BLE (Bluetooth low power), controla um sensor de Gás MQ-2 excelente para estudos de qualidade do ar e para identificação de incêndios, que também podem ser identificados por um circuito de led identificador de chamas de fogo através dos infravermelhos emitidos. Tem um chip SX1278 LoRa para comunicação, tem um sensor de ultravioletas UVA e UVB e indice UV e 3 sensores capacitivos de humidade do solo juntamente com um sensor de temperatura à distância IV. Por fim um cartão microSD para guardar todos estes valores.



As leituras deste Nó são enviadas via LoRa para a Gateway:


Que está ligada à Internet por Wifi e assim transmite os dados via POST para um servidor criado por nós na nossa rede para hospedar uma base de dados SQL e também em formato JSON.


Nesta fotografia podemos ver os Sensores TDS de toxicidade e conductividade da àgua ao lado de um termómetro encapsulado DS18b. 




Estes sensores são controlados pelo water Node que monotoriza a qualidade da àgua e munido do chip LoRa, envia também a informação para a gateway alimentando as bases de dados para posteriormente apresentar em dashboards de alerta, monotorização e configuração do sistema



A app ainda muito subdesenvolvida a nível de frontend, já tem um grande avanço a nivel de backend e comunicação com a rede Smart Environment LoraWAN
Todos os ficheiros de código e arquitectura da rede estão numa pasta que disponibilizo no google drive para verem e questionarem à vontade.


https://drive.google.com/drive/folders/19Ae_fBVSIz1R1qLw6wKkM3FWqEaAhjru?usp=sharing



Nessa pasta podem também ver alguns videos elucidativos do projecto e fotos dentro da pasta The Making
Dentro da pasta nodes_PROGRAM tem os códigos fonte do sistema :)
Dentro da pasta componentes podem ver Datasheet ,links uteis e código feito por mim :)

Gostamos muito de fazer este projecto em regime maratona com directas sempre a trabalhar ora nos bugs ora nos melhoramentos.
Ficamos muito contentes por conseguir implementar o sistema e quanto aos sensores, ainda estão a chegar em encomendas da china, por isso prevejo aproveitar esta onda que o CityHack proporcionou para investir mais nesta busca pelo conhecimento e por em prática os conhecimentos em prol da sociedade e do bem.

Um bem haja! Bom fim de semana!


**Link para a pasta com documentos do trabalho
https://drive.google.com/drive/folders/19Ae_fBVSIz1R1qLw6wKkM3FWqEaAhjru?usp=sharing

[email protected]Building ConnectionsAv. Serpa Pinto 3114450-718 Matosinhos, Portugal

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