Iot - UNIDADE II

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Iot (Wearables) - Programação com Arduino
Unidade 2
Sistemas embarcados
OBJETIVOS DA UNIDADE
· Conhecer os componentes eletrônicos básicos;
· Compreender a natureza de um sistema embarcado;
· Identificar os elementos de infraestrutura que são utilizados nos sistemas embarcados.
TÓPICOS DE ESTUDO
Microcontroladores
Os microcontroladores estão presentes em quase tudo que envolve a eletrônica, tornando possível a miniaturização dos circuitos. Podemos definir o microcontrolador como um pequeno componente eletrônico que possui “inteligência” e pode ser programado para realizar tarefas específicas.
COMPONENTES ELETRÔNICOS BÁSICOS
A eletrônica é o ramo da ciência que estuda o uso de circuitos formados por componentes eletrônicos, com o objetivo principal de representar, armazenar, transmitir ou processar informações. A seguir vamos conhecer os componentes básicos que podem ser usados em projetos de circuitos eletrônicos.
Eles são especificados pela sua capacitância (capacidade de armazenar cargas elétricas) que é medida em farads (F).
No circuito integrado, os componentes eletrônicos são “gravados" em uma pequena lâmina de silício e o chip é montado e selado em um bloco cerâmico com terminais que são conectados aos seus componentes por pequenos fios condutores.
Existem diversos tipos e modelos de display de LCD, podendo variar o número de linhas, o número de caracteres por linha, a cor dos caracteres, a cor do fundo, assim como ter ou não backlight.
INTRODUÇÃO AOS MICROCONTROLADORES
Microcontrolador ou MCU (do inglês Microcontroller Unit) é um circuito integrado programável que contém um pequeno computador inteiro embutido. Um microcontrolador possui em seu interior três unidades funcionais principais:
· CPU (Unidade Central de Processamento);
· Memórias;
· Periféricos de entrada e saída.
// Microcontrolador x Microprocessador
A principal diferença entre um microcontrolador e um microprocessador é a funcionalidade. Um microprocessador necessita de diversos componentes externos, como memórias, barramentos e periféricos para poder operar. Enquanto isso, o microcontrolador contém todos estes componentes embutidos; além disso, um microprocessador geralmente faz parte de um sistema programável de uso geral, como, por exemplo, um computador, ao passo que o microcontrolador é projetado para uso em sistemas específicos, como:
· Eletrodomésticos;
· Robôs;
· Sistemas de automação;
· Máquinas industriais e comerciais;
· Brinquedos;
· Sistemas embarcados.
Existem diversas vantagens no uso de microcontroladores para o projeto de sistemas específicos. Dentre elas, podemos citar:
· Baixo custo;
· Baixo consumo de energia;
· Facilidade na programação;
· Sistema miniaturizado;
· Manutenção simplificada.
CURIOSIDADE
O primeiro microcontrolador foi desenvolvido pela Texas Instruments em 1971 e foi batizado de TMS 1000.
ARQUITETURA DOS MICROCONTROLADORES
A arquitetura dos microcontroladores é baseada na arquitetura Harvard, que leva esse nome devido as suas origens no computador Mark I, que foi desenvolvido numa parceria da Universidade de Harvard com a IBM durante a Segunda Guerra Mundial.
A principal característica da arquitetura Harvard é que ela possui memórias separadas para armazenamento de dados e instruções (programa), possibilitando o acesso à memória de programa e à memória de dados simultaneamente, aumentando a performance do sistema.
// Tipos de memória dos microcontroladores
Nos microcontroladores, as memórias são usadas para armazenamento do programa (instruções) e também dos dados, além de poderem ter diferentes tamanhos e diferentes tipos. Os principais tipos de memória são:
PLATAFORMA ARDUINO
O Arduino é uma plataforma aberta para prototipação de projetos eletrônicos. A plataforma Arduino é composta pelo Hardware (microcontrolador) e pelo Software.
Existem várias opções de marcas e modelos de microcontroladores. O Arduino adotou os microcontroladores da Microchip que são “soquetados” ou “soldados” em uma placa com diversos conectores e circuitos de apoio para facilitar a montagem dos projetos e a programação. A placa Arduino UNO é a placa mais popular e mais documentada de toda a família Arduino, sendo indicada para quem está iniciando. O Arduino UNO usa o microcontrolador ATmega328P.
CURIOSIDADE
Inicialmente, os microcontroladores da família Arduino eram fabricados pela empresa Atmel, que foi adquirida pela Microchip.
// Especificações técnicas do microcontrolador ATmega328P
O ATmega328P é um microcontrolador de alto desempenho, baixo consumo de energia e otimizado para trabalhar com a linguagem C. A Figura 21 mostra o diagrama em blocos do microcontrolador.
Principais características:
· VCC (Tensão de alimentação) 5 V;
· 32 KB de memória Flash;
· 2 KB de memória SRAM
· 1 KB de memória EEPROM
· 14 pinos de entrada/saída digitais (GPIO);
· Corrente máxima por pino de entrada/saída: 20 mA;
· 2 Temporizadores/Contadores de 8 bits;
· 1 Temporizador/Contador de 16 bits;
· 6 canais PWM (usados para simular saídas analógicas nos pinos digitais);
· 6 canais de entradas analógicas para o ADC (Conversor Analógico Digital);
· 1 porta serial USART (Comunicação Serial);
· 1 interface serial SPI (Interface Serial de Periféricos.
// Placa Arduino UNO
A Figura 23 mostra os detalhes da placa Arduino UNO que foi projetada para simplificar a montagem de protótipos de circuitos eletrônicos e a programação do microcontrolador.
Introdução aos sistemas embarcados
Podemos definir um sistema eletrônico como um conjunto de circuitos que interagem entre si para obter um resultado. Uma forma de entender os sistemas eletrônicos consiste em dividi-los em entradas, processamento de sinais e saída.
Um sistema embarcado é um sistema eletrônico programável (hardware + software) dedicado a uma tarefa específica.
Alguns exemplos de sistemas embarcados:
· Aparelhos de reprodução de imagem e som;
· Periféricos de computadores (nobreak, impressora etc.);
· Infraestrutura de redes (roteador, switch etc.);
· Automação comercial (leitor de código de barras, biometria etc.);
· Equipamentos médicos (marca-passo, sistemas de suporte à vida etc.);
· Eletrodomésticos (micro-ondas, máquina de lavar etc.);
· Máquina fotográfica digital;
· Sistemas automotivos (freio ABS, injeção eletrônica etc.);
· Sistemas de controle industrial;
· Satélites;
· Robô.
CURIOSIDADE
O primeiro sistema embarcado reconhecido é o AGC (do inglês Apollo Guidance Computer). Este sistema era responsável pelo controle das espaçonaves Apollo, que levaram diversas vezes o homem ao espaço e a Lua.
Figura 25. AGC. Sistema embarcado usado para navegação e controle dos módulos de comando e lunar das espaçonaves usadas no projeto Apollo.  Fonte: Shutterstock. Acesso em: 19/04/2019.
Características dos sistemas embarcados:
· Baixo custo de fabricação;
· Baixo consumo de energia;
· Tamanho reduzido (sistema compacto);
· Alto desempenho;
· Operação em tempo real;
· Software integrado no hardware (firmware).
ARQUITETURA DE SISTEMAS EMBARCADOS
Um sistema embarcado recebe os sinais do ambiente através de sensores e interfaces que convertem estes sinais em corrente ou tensão. O microcontrolador, por meio de um software (firmware), interpreta e processa estes sinais, convertendo a corrente ou tensão em sinais fisicamente úteis que são enviados a acionadores e atuadores. A Figura 26 ilustra um diagrama simples da arquitetura de um sistema embarcado.
Hardware: geralmente os sistemas embarcados são projetados com microcontroladores, porém alguns podem usar microprocessadores e também processadores digitais de sinais (DSP).
Software: o software desenvolvido para um sistema embarcado é conhecido como firmware e é armazenado em uma memória ROM ou em uma memória híbrida (memória flash). Para a programação, as linguagens mais usadas em sistemas embarcados são:
// Assembly;
// Linguagem C;
// C++;
// Python;
// Java.
EXPLICANDO
O que define um sistema embarcado é o uso do hardware e do software para um fim específico.
Interfaces de comunicaçãoOs sistemas embarcados podem se comunicar com o ambiente externo usando diversos tipos de interfaces, como:
· 1 Interface Serial;
· 2 Conversor Analógico Digital;
· 3 Ethernet;
· 4 Interfaces wireless;
· 5 GPIO.
// Interface serial
A interface serial atua como uma interface de comunicação entre dois sistemas digitais que enviam dados como uma série de pulsos de tensão sobre um fio. Na interface serial, a comunicação de dados digitais é enviada um bit de cada vez, sequencialmente.
Dentre os dispositivos que usam a interface serial podemos destacar o USB (do inglês Universal Serial Bus), que é um padrão de indústria que estabelece especificações para cabos, conectores e protocolos de comunicação para conexão, comunicação e provimento de energia entre sistemas digitais; a comunicação serial usando o protocolo RS-232 e o protocolo de barramento I2C.
Existem dois tipos de comunicação serial:
// Conversor de sinal (ADC)
Um conversor de sinal analógico digital (ou ADC do inglês Analog to Digital Converter) é um dispositivo eletrônico capaz de gerar uma representação digital a partir de uma grandeza analógica, convertendo uma entrada analógica de tensão em um valor binário. Estes conversores são muito utilizados na interface entre dispositivos digitais e dispositivos analógicos em aplicações como leitura de sensores, digitalização de áudio, vídeo etc.
// Ethernet
Ethernet é uma arquitetura usada em redes locais baseada no envio de pacotes. Esta arquitetura é usada em redes cabeadas e o padrão mais comum usa um conector RJ 45 para conectar a placa em um roteador ou switch.
A interface de rede usa um endereço chamado IP e na família Arduino temos um modelo de placa com a interface de rede embutida e também temos a possibilidade de “espetar” um shield (placa de expansão) trazendo esta funcionalidade ao Arduino comum.
Figura 27. Ethernet shield para Arduino. Fonte: Store.arduino. Acesso em: 19/04/2019. 
// Interface wireless
Uma interface de rede sem fio é um controlador de rede que se conecta a uma rede de computadores baseada em rádio (wi-fi). Esta interface usa uma antena para se comunicar com os pontos de acesso. Outra forma de usar uma rede sem fio é através de um módulo bluetooth.
Figura 28.  Shield wi-fi e módulo bluetooth. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 19/04/2019.
// GPIO
GPIO (do inglês General Purpose Input Output) é um conjunto de pinos responsáveis por fazer a comunicação de entrada e saída de sinais digitais. Com estes pinos é possível acionar LEDs, transistores etc, e fazer a leitura de sensores e botões, entre outros. O Arduino UNO possui 14 pinos de GPIO (entrada e saída digital).
DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA
Dispositivos de entrada são sensores eletrônicos ou mecânicos que medem os sinais (temperatura, pressão, umidade, contato, luz, movimento etc.) do ambiente, convertendo estes sinais em corrente ou tensão. Interruptor de pressão, LDR e potenciômetro são exemplos de dispositivos de entrada.
Dispositivos de saída são atuadores ou outros dispositivos que convertem os sinais de corrente ou tensão em sinais fisicamente úteis como movimento, luz, som, força, etc. LED e motor CC são exemplos de dispositivos de saída.
SENSORES E ATUADORES
Sensores são dispositivos eletrônicos ou mecânicos capazes de detectar eventos ou alterações no ambiente gerando uma saída na forma de sinais elétricos (corrente ou tensão) que serão processados pelo sistema embarcado e utilizados para realizar algum tipo de tarefa.
Exemplos de sensores utilizados em sistemas embarcados:
Os atuadores transformam os sinais elétricos processados pelo sistema embarcado em uma grandeza física (movimento, magnetismo, calor, luz, som etc.). Um exemplo de atuador é o motor CC, que pode ser acoplado a uma caixa de redução com roda e ser usado em um projeto de robótica.
// Acionadores
Os acionadores são dispositivos de controle usados nos sistemas embarcados para acionar e controlar elementos e equipamentos externos ao sistema, como, por exemplo, motores, lâmpadas, ligar e desligar máquinas etc.
Podemos conectar shields ou ligar módulos externos no Arduino para acionar dispositivos.
Exemplos de acionadores:
SINTETIZANDO
Chegamos ao fim desta unidade. Nela, conhecemos os componentes eletrônicos básicos e compreendemos a natureza de um sistema embarcado que é um sistema eletrônico programado para um fim específico. Os componentes eletrônicos básicos usados em sistemas embarcados são os mesmos empregados na eletrônica, o modo como eles são usados e as configurações é que determinam o que o circuito ou o conjunto vai fazer, assim sendo, os mesmos componentes usados em um sistema embarcado podem ser encontrados em um televisor, computador, smartphone etc.
Nesta unidade, estudamos também os microcontroladores, as interfaces de comunicação e os dispositivos de entrada e saída que são os elementos da infraestrutura que compõe os sistemas embarcados. Os microcontroladores são pequenos computadores completos embutidos dentro de um chip, e conhecer as características de um microcontrolador é fundamental para o desenvolvimento de um projeto de sistema embarcado.
Por fim, estudamos o Arduino UNO que usa o microcontrolador ATMega328P que é “soquetado” ou soldado em uma placa com diversos conectores e circuitos de apoio, com o objetivo de facilitar a montagem dos projetos e a programação. O Arduino UNO é o modelo mais popular, mais simples e mais documentado de toda a família Arduino, sendo indicado para iniciantes.