Lab02

Integração Arduino e Node-RED

Vamo integrar sensores com Arduino, monitorar dados em tempo real no Node-RED, desenvolver sistemas supervisórios usando JSON, dashboards e protocolo MQTT.

Instalação e uso de bibliotecas externas para arduino

Normalmente os criadores das bibliotecas descrevem o passo-a-passo para utilizar as bibliotecas criadas, mas de forma geral podemos instalar uma biblioteca externa de duas formas:

• Por Download:

  • Fazer o download do arquivo .zip da biblioteca
  • Descompactar o arquivo dentro da pasta documentos/Arduino/libraries/
  • Pronto! Podemos usar em nosso projeto.
  • De forma geral é isso, eventualmente o criador da biblioteca irá orientar eventuais etapas adicionais.

• Pelo gerenciador de bibliotecas:

  • abra o Arduino IDE
  • acesse: Sketch ==> Include Library ==> Manage Libraries…
  • Digite na busca o nome da biblioteca
  • Encontre a opção desejada e clique em instalar
  • Pronto! Podemos usar em nosso projeto.
  • Algumas libs dependem de outras de outras libs, nesse caso é necessário instalar todas as libs.

Imagem passo-a-passo

DICA: Explore a documentação e os exemplos da biblioteca instalada.

Biblioteca ArduinoJson

A biblioteca ArduinoJson é uma ferramenta escrita em C++ que facilita a comunicação de dados no formato JSON (JavaScript Object Notation) em projetos de IoT com Arduino. O formato JSON é amplamente utilizado por ser leve, legível e compatível com diversas plataformas. Para quem já utiliza Python, a estrutura do JSON é semelhante à de dicionários, por exemplo:

{"Key1":"Value1", "Key2":"Value2", "Key3":"Value3","....":."...."}

A documentação oficial da biblioteca pode ser consultada em: arduinoJSON - https://arduinojson.org/

Exercise

Faça a instalação da biblioteca arduinoJSON direto pelo ArduinoIDE, no campo de busca digite ArduinoJson e instale a biblioteca. Para mais detalhes de como realizar a instalação acesse aqui a documentação oficial - https://arduinojson.org/v6/doc/installation/

Sensor DHT11

O DHT11 é um sensor digital de temperatura e umidade muito utilizado em diversas aplicações. Para facilitar o trabalho utilizamos uma biblioteca para realizar as leituras de temperatura e umidade.

Pino	Descrição
1	Alimentação, VCC, 3,5V ~ 5,5V
2	DATA, transmissão de dados
3	NC, Não Conectado
4	Alimentação, GND, 0v

Atenção: Certifique-se de conectar corretamente os pinos de alimentação para evitar danos ao sensor.

Exercise

Faça a instalação das bibliotecas para usar o DHT11: Adafruit Unified Sensor Libs:

1. Adafruit Sensor

2. DHT Sensor.

Após o download descompacte o arquivo .zip e mova-o para a pasta ~/Arduino/Libraries/

Testando o sensor DHT11

Para testar o funcionamento do sensor vamos executar 2 etapas: Montagem do hardware e Desenvolvimento do Software.

O hardware de teste

Monte o circuito da imagem abaixo e não esqueça de conectar o resistor

Exercise

De acordo com o circuito qual o pino do arduino é utilizado para realizar comunicação digital com o sensor DHT11?

O código de teste

Crie um novo projeto no ArduinoIDE e utilize o código de teste abaixo: Este código foi adaptado do site filipeflop

/*
Código para teste do sensor DHT11 

*/
#include "DHT.h"
#define DHTPIN  7  //define o pino usado no arduino
#define DHTTYPE DHT11
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); //declara a objeto da classe

void setup() 
{
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("DHTxx test!");
  dht.begin();
}

void loop() 
{
  float h = dht.readHumidity();  // faz leitura da umidade
  float t = dht.readTemperature();  // faz leitura da temperatura

  // testa se retorno é valido, caso contrário algo está errado.
  if (isnan(t) || isnan(h)) 
  {
    Serial.println("Falha na leitura do sensor DHT");
  } 
  else
  {
    Serial.print("Umidade: ");
    Serial.print(h);
    Serial.print(" %\t");
    Serial.print("Temperatura: ");
    Serial.print(t);
    Serial.println(" *C");
  }
  delay(500); //delay de 0,5s
}

O teste

Após montar o circuito e carregar o código, abra o Monitor Serial do Arduino IDE para visualizar as leituras de temperatura e umidade em tempo real. O resultado esperado é semelhante ao da imagem abaixo.

• Parabéns!! Primeira parte concluida, vamos em frente...

Usando a biblioteca ArduinoJson

Agora vamos aprimorar o código do Arduino para enviar as informações do sensor DHT11 em formato JSON. Isso facilita a integração com sistemas como o Node-RED e o uso de protocolos como MQTT.

/*
Código exemplo demonstrando o funcionamento do Sensor DHT11 enviando 
informações via serial no formato JSON para o servidor node-Red que recebe e transmite via protocolo MQTT 

*/

/////Json
#include <ArduinoJson.h>
const int TAMANHO = 50;  //define o tamanho do buffer para o json

///// Sensor DHT
#include "DHT.h"
#define DHTPIN  7  //define o pino usado no arduino
#define DHTTYPE DHT11
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); //declara a objeto da classe

////// Outras declarações
#define led 13 //define led conectado no pino 13

void setup() 
{
  //inicialia c sensor
  dht.begin();

  //inicializa comunicação serial
  Serial.begin(9600);

  //configura pinos de saida do arduinos
  pinMode(led, OUTPUT);
}

void loop() 
{
  StaticJsonDocument<TAMANHO> json; //Aloca buffer para objeto json

  // Faz a leitura da temperatura  
  float temp = dht.readTemperature();
  // faz a leitura da humidade
  float umi = dht.readHumidity();

  //formato de escrita do json
  json["temperatura"] = temp;
  json["umidade"] = umi;

  serializeJson(json, Serial);
  Serial.println();

  //delay
  delay(500);
}

Um ponto importante: Definir a variavel TAMANHO que serve como buffer em bytes para alocar o JSON que vamos trabalhar. Para isso podemos utilizar o ArduinoJson Assistant neste link: https://arduinojson.org/v6/assistant/#/step1, siga o passo-a-passo da ferramenta para descobrir o valor minimo que devemos utilizar.

Exercise

Utilizando o ArduinoJson Assistant qual o valor recomendado para o json do exemplo abaixo?

{
"valorSensor1":10.10258,
"valorSensor2":50.28546
}    

• Parabéns!! Mais uma etapa completa! Agora o nosso programa envia dados no formato Json, facilitando a integração com outros sistemas incluindo o Node-RED.
• É muito importante que ele não envie pela Serial nada diferente do formato JSON, por isso cuidado com um Serial.println de teste ou esquecido no meio do código.

Comunicação serial com node-RED

No flow do node-red, vamos usar o node serialport para realizar a comunicação serial entre o node-red e o arduino conectado na porta que conectado na porta USB, por padrão esse não vem instalado. Faça a instalação do node node-red-node-serialport.

No node-RED monte o flow:

Agora configure o node da serial da seguinte forma:

- Serial Port: com o nome da porta COM que está alocada para o arduino
- baud rate: para 9600.

Faça o deplay e se tudo estiver correto, no debug vai aparecer as mensagens recebidas pelo arduino.

Desenvolvimento de um sistema supervisório para monitoramento de temperatura e umidade

Agora que o Node-RED já está recebendo os dados do Arduino em formato JSON, vamos transformar esses dados em informações visuais e interativas em um dashboard, criando um sistema supervisório simples.

Passos para criar o dashboard: - No Node-RED, utilize os nodes do pacote node-red-dashboard para criar a interface. - Separe os valores de temperatura e umidade do JSON recebido utilizando um node function ou change, conforme necessário. - Adicione dois widgets do tipo gauge (medidor) para exibir, separadamente, a temperatura e a umidade em tempo real. - Adicione dois widgets do tipo chart (gráfico) para acompanhar a evolução dos valores ao longo do tempo. - Conecte os nodes de acordo com o fluxo desejado para garantir que os dados recebidos do Arduino sejam corretamente encaminhados para os widgets do dashboard.

Exercise

Faça as adaptações necessárias para exibir os valores de temperatura e umidade em 2 gauge e 2 chart como na imagem abaixo:

Exercise

Baseado na solução do desafio anterior, altere o fluxo para enviar os dados do node-RED via protocolo MQTT. Agora em um segundo computador crie um fluxo no node-RED que recebe os topicos enviados pelo primeiro flow em MQTT.

Controlando o arduino pelo node-RED

Até aqui, enviamos dados do Arduino para o Node-RED. Agora, vamos realizar o caminho inverso: controlar dispositivos conectados ao Arduino a partir de comandos enviados pelo Node-RED via comunicação serial.

Exercise

Adicione um dashboard switch e configure para enviar a string “liga” e “desliga” pela serial, para controlar um LED do arduino. DICA: Veja o exemplo abaixo como referência.

#include <ArduinoJson.h>
const int LED = 3;
const int TAMANHO = 200;
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  //O valor padrão de 1000ms é muito tempo
  Serial.setTimeout(10);
  pinMode(LED,OUTPUT);
}
void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    //Lê o JSON disponível na porta serial:
    StaticJsonDocument<TAMANHO> json;
    deserializeJson(json, Serial);
    if(json.containsKey("led")) {
      int valor = json["led"];
      analogWrite(LED, valor);
    }
  } 
  delay(300);
}

Validando regas de decisão

Vamos a criar lógicas de decisão no Node-RED para analisar dados recebidos via MQTT e gerar respostas personalizadas.

Fluxo Básico de Trabalho: 1. Receber JSON via MQTT: Configure um node MQTT in para assinar um tópico específico (ex: sensor/temperatura). 2. Conversão para Objeto JavaScript: Conecte, se necessário, a um node JSON para parsear a mensagem recebida. 3. Validação com Node Function: Utilize um node function para implementar suas regras de negócio. 4. Envio da Resposta via MQTT: Conecte a um node MQTT out para publicar o resultado do processamento.

Sistema de Alerta de Temperatura

[MQTT in] → [JSON] → [Function] → [MQTT out]

Código do Node Function

// Recebe mensagem do tópico 'sensor/temperatura'
const temp = msg.payload.temperatura;
const umid = msg.payload.umidade;

// Regras de negócio
let status = "NORMAL";
if(temp > 30) {
    status = "ALERTA: Temperatura crítica!";
} else if(umid > 70) {
    status = "AVISO: Umidade elevada";
}

// Cria novo JSON de controle
msg.payload = {
    "timestamp": Date.now(),
    "sensor_id": msg.topic.split("/")[1],
    "status": status,
    "acao_recomendada": temp > 30 ? "Ligar ventilação" : "Nenhuma ação"
};

return msg;

Tabela de Regras de Negócio:
Condição	Ação	Tópico de Resposta
Temperatura > 30°C	Enviar comando ventilação	controle/ventilador/1
Umidade > 70%	Ativar desumidificador	controle/desumidificador
Ambos valores normais	Manter sistema em standby	sistema/status

Exercise

Crie um flow que recebe dados do tópico sensor/temperatura Adicione validação para umidade abaixo de 30%

Gere um novo JSON com estrutura:

{
  "alerta": "BAIXA_UMIDADE",
  "comando": "ligar_umidificador"
}

Publique no tópico controle/umidificador

Dica: Utilize o Debug node para monitorar a transformação dos dados em cada etapa do processo.

Desafios

Já construimos toda a infraestrutura com a base necessária para desenvolver os desafios deste lab.

Desafio 1: Alerta de Condições Climáticas

Objetivo: Criar um sistema de alerta que notifica o usuário quando a temperatura e/ou umidade ultrapassam um limite definido.

Instruções:

• Utilize o Node-RED para definir limites de temperatura e umidade (por exemplo, temperatura acima de 30°C e umidade abaixo de 40%).
• Quando os valores lidos pelo sensor DHT11 ultrapassarem esses limites, um alerta deve ser exibido no dashboard.
• Adicione um LED no Arduino para acender quando os limites forem ultrapassados.

Desafio 2: Registro de Dados

Objetivo: Armazenar os dados de temperatura e umidade em um banco de dados ou arquivo para análise posterior.

Instruções:

• Utilize o Node-RED para encaminhar os dados recebidos do Arduino para um banco de dados de sua escolha (pode ser um banco de dados SQL, NoSQL ou até mesmo um arquivo CSV).

Desafio 3: Integração com Outros Sensores

Objetivo: Integrar outros sensores ao sistema e exibir seus dados no Node-RED.

Instruções:

• Escolha um ou mais sensores adicionais compatíveis com Arduino (por exemplo, sensor de luminosidade, sensor de movimento, sensor de gás, etc.).
• Integre o(s) sensor(es) escolhido(s) ao seu circuito Arduino.
• Modifique o código do Arduino para ler os dados do(s) novo(s) sensor(es) e enviar esses dados para o Node-RED em formato JSON, juntamente com os dados de temperatura e umidade.
• No Node-RED, configure o dashboard para exibir os dados do(s) novo(s) sensor(es) em tempo real, seja através de gráficos, medidores ou outros widgets relevantes.

Como um desafio adicional configurar alertas ou ações específicas com base nos dados do(s) novo(s) sensor(es). Por exemplo, se um sensor de luminosidade detectar que está escuro, um LED pode ser acionado automaticamente.