Uma rede Arduino WiFi (sensores e atuadores) - o sensor de cor: 4 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Quantas vezes em suas aplicações você tem algum sensor ou atuador longe de você? Quanto poderia ser confortável usar apenas um dispositivo mestre próximo ao seu computador para gerenciar diferentes dispositivos escravos conectados por meio de uma rede wi-fi?

Neste projeto veremos como configurar uma rede wi-fi, composta por um módulo mestre e um ou mais dispositivos escravos. Cada dispositivo será acionado por um Arduino Nano e um módulo sem fio NRF24L01. Finalmente, para mostrar a viabilidade do projeto, fazemos uma rede simples onde um módulo escravo pode detectar uma cor e transmitir seu modelo RGB para o módulo mestre.

Etapa 1: O protocolo de comunicação

A ideia básica deste projeto é a criação de uma rede composta por módulos sensores e módulos atuadores, acionados por um módulo mestre que se comunica com o escravo por meio de uma conexão wi-fi.

O módulo mestre é conectado ao computador através de uma comunicação serial e oferece uma pequena interface que permite ao usuário pesquisar os dispositivos conectados, obter a lista de operações possíveis para cada dispositivo e atuar sobre eles. Assim, o módulo mestre não precisa, a priori, saber quantos e quais tipos de dispositivos estão conectados à rede, mas está sempre apto a fazer a varredura e localizar os dispositivos e receber deles informações quanto às suas configurações ou características. O usuário, a cada momento, pode adicionar ou remover os módulos da rede e precisa apenas de uma nova varredura da rede para começar a se comunicar com os novos dispositivos.

Neste projeto mostramos um exemplo simples de rede composta por um módulo mestre e por dois escravos, o primeiro é um "Módulo Led", ou melhor, um módulo simples, que pode acender um led (vermelho ou verde), desligar esses leds ou enviam informações sobre seu status ao mestre. O segundo é um "Módulo Sensor Color" que, utilizando o sensor de cores (TCS3200), é capaz de detectar uma cor e retornar seu modelo RGB caso receba um comando de um usuário (através de um botão) ou uma solicitação do mestre módulo. Resumindo, cada dispositivo utilizado neste projeto é composto por um módulo wireless (NRF24L01) e um Arduino Nano que gerencia o módulo wireless e demais operações simples. Enquanto o "Módulo de Led" contém dois leds adicionais e o "Módulo de Cor do Sensor" contém o sensor de cor e um botão.

Etapa 2: O Módulo Mestre

O módulo mais importante é o “Módulo Mestre” como dito, usando uma pequena interface intuitiva, ele gerencia a comunicação entre o usuário e os módulos escravos conectados à rede.

O hardware do módulo mestre é simples e é composto por poucos componentes, em particular existe um Arduino Nano que gerencia a comunicação serial com o computador e consequentemente com o usuário, e a comunicação com os demais dispositivos. Este último é criado pelo módulo wireless NRF24L01, que é conectado à placa Arduino por meio de comunicação SPI. Finalmente, há dois leds para dar ao usuário um feedback visual sobre os dados que chegam ou saem do módulo.

A placa eletrônica do módulo mestre possui um tamanho relativamente pequeno, cerca de 65x30x25 mm, podendo ser, facilmente, inserida em uma pequena caixa. Aqui estão os arquivos stl da caixa (parte superior e inferior).

Etapa 3: O Módulo Led

O "módulo led" monta o Arduino Nano, o módulo NRF24L01 e quatro leds. O Arduino e o módulo NRF24L01 são usados para gerenciar a comunicação com o módulo mestre, enquanto dois dos leds são usados para dar ao usuário um feedback visual sobre os dados de entrada e saída e os outros dois leds são usados para as operações normais.

A principal tarefa deste módulo é mostrar se a rede está funcionando, permitindo ao usuário ligar um dos dois leds, desligá-los ou obter o seu estado atual. Em particular este módulo é uma espécie de prova de conceito, ou melhor, decidimos utilizá-lo para mostrar como é possível interagir com atuadores e utilizando leds de cores diferentes é possível testar o funcionamento do módulo de cores.

Etapa 4: o módulo do sensor de cores

Este último módulo é um pouco mais complexo em relação ao outro, na verdade, contém o mesmo hardware dos demais (Arduino Nano, módulo NRF24L01 e os dois leds de feedback visual) e outro hardware para detectar a cor e gerenciar a bateria.

Para detectar uma cor e retornar seu modelo RGB, decidimos usar o sensor TCS3200, um sensor pequeno e de baixo custo muito utilizado neste tipo de aplicações. É composto por um conjunto de fotodiodos e um conversor de corrente-frequência. A matriz contém 64 fotodiodos, 16 têm filtro vermelho, 16 filtro verde, 16 têm filtro azul e os últimos 16 são transparentes sem filtros. Todos os fotodiodos da mesma cor são conectados em paralelo e cada grupo pode ser ativado por dois pinos especiais (S2 e S3). O conversor de frequência de corrente retorna uma onda quadrada com um ciclo de trabalho de 50% e frequência diretamente proporcional à intensidade da luz. A frequência de saída de escala completa pode ser escalonada por um dos três valores predefinidos por meio de dois pinos de entrada de controle (S0 e S1).

O módulo é alimentado por uma pequena bateria Li-Po de duas células (7,4 V) e é gerenciado pelo Arduino. Em particular, uma das duas células é conectada a uma entrada analógica desta, e isso permite que o Arduino leia o valor da potência da célula. Quando o nível de potência da célula cai abaixo de um determinado valor, para preservar a bateria, o Arduino acende um led, que avisa o usuário para desligar o aparelho. Para ligar ou desligar o dispositivo, existe uma chave que conecta o pino positivo da bateria ao pino Vin da placa Arduino ou a um conector que pode ser usado pelo usuário para carregar a bateria.

Já para o módulo mestre, o módulo de cor do sensor é pequeno (40x85x30) e foi inserido dentro de uma caixa impressa em 3D.