# Projeto de Sistemas Embarcados: Controlador Inteligente de Irrigação | Nome | Matrícula | Turma | | :--- | :--- | :--- | | Henrique Pucci | 202016506 | 14h | | Kauan de Torres Eiras | 232014727 | 16h | | Leonardo Sobrinho de Aguiar | 200022199 | 16h | | Rodrigo Braz Ferreira Gontijo | 190116498 | 16h | ## Índice - [1. Descrição do Produto Selecionado](#1-descrição-do-produto-selecionado) - [2. Análise Técnica do Funcionamento](#2-análise-técnica-do-funcionamento) - [3. Proposta de Reprodução com ESP32](#3-proposta-de-reprodução-com-esp32) - [4. Limitações e Desafios Esperados](#4-limitações-e-desafios-esperados) - [5. Comparativo com Produtos Similares](#5-comparativo-com-produtos-similares) - [6. Tecnologias que Viabilizam a Existência do Produto](#6-tecnologias-que-viabilizam-a-existência-do-produto) - [7. Aplicação e Uso do Produto](#7-aplicação-e-uso-do-produto) - [8. Resumo dos Artigos Acadêmicos Selecionados](#8-resumo-dos-artigos-acadêmicos-selecionados) ## 1. Descrição do Produto Selecionado **Produto:** Smart Sprinkler Controller (Controlador Inteligente de Irrigação). **Funções Principais:** Monitoramento das condições climáticas locais (temperatura e precipitação) e do nível do reservatório, acionamento automático de bombas para irrigação, e envio de telemetria para a nuvem com feedback em campo. **Público-alvo e Contexto de Uso:** Agricultores que buscam precisão, entusiastas de automação residencial e administradores de condomínios que precisam otimizar o uso da água no cuidado de plantações e jardins sem depender de análises manuais. **Componentes e Sensores Utilizados:** Microcontrolador com conectividade (ESP32), Sensor de Chuva, Sensor de Pressão e Temperatura BMP180 e BMP280 (I2C), Sensor Ultrasom, Relé de 1 Canal, Tela OLED 0.98" (I2c) e Buzzer Ativo. **Tecnologias de Comunicação e Controle:** Wi-Fi (IEEE 802.11), protocolos de comunicação IoT (MQTT, HTTP) e interfaces em nuvem (ex: Blynk, ThingSpeak). ## 2. Análise Técnica do Funcionamento O sistema opera em um ciclo contínuo de aquisição de dados e atuação controlada: * **Sensores:** O Sensor de Chuva detecta precipitação imediata, enquanto o Sensor BMP180/BMP280 coleta dados do clima para inferir evaporação. O Sensor Ultrasom monitora a lâmina d'água do reservatório. * **Atuadores e Saídas:** O Relé de 1 Canal executa a abertura das válvulas solenoides ou bombas. A Tela OLED 0.98" (I2c) exibe o status, e o Buzzer Ativo alerta sobre baixo nível de água. * **Controle e Conectividade:** O processamento ocorre no microcontrolador embarcado, que cruza os dados do clima e envia o status via rede sem fio para um dashboard na nuvem. * **Tecnologias Críticas:** Utilização de protocolos de comunicação eficientes, barramento I2C para múltiplos dispositivos (Tela e BMP280) compartilhando os mesmos pinos, e gerenciamento de interrupções. ## 3. Proposta de Reprodução com ESP32 Este projeto propõe a recriação do controlador utilizando a ESP32. Será implementada a leitura climática para substituição da umidade do solo tradicional, garantindo que o Relé de 1 Canal não acione a bomba se o Sensor de Chuva indicar precipitação. O Sensor Ultrasom atuará como trava de segurança: se o reservatório estiver vazio, o sistema não liga o relé, aciona o Buzzer Ativo e exibe o erro na Tela OLED 0.98" (I2c). ### Diagrama Conceitual ```text [Sensor de Chuva] --------ADC/GPIO-> | | --Wi-Fi/MQTT--> [App Dashboard] [Sensor BMP280] --------------I2C--> | ESP32 | --I2C---------> [Tela OLED 0.98"] [Sensor Ultrasom] -----------GPIO--> | (Processamento) | --GPIO--------> [Buzzer Ativo] | | --GPIO(Relé)--> [Relé de 1 Canal] -> Bomba ``` ## 4. Limitações e Desafios Esperados * **Oxidação:** O Sensor de Chuva possui trilhas expostas que podem sofrer oxidação natural com o tempo ao ficarem expostas ao clima. A mitigação envolve manutenção periódica ou estanhamento das trilhas. * **Ruído Elétrico:** O acionamento da bomba de irrigação pelo Relé de 1 Canal pode gerar interferências na ESP32. Adotaremos o uso de resistores pull-down via software (GPIO.PUD_DOWN) para estabilizar o sinal de controle. * **Conflito de Endereçamento I2C:** Como a Tela OLED 0.98" e o Sensor BMP280 utilizam o mesmo protocolo I2C, será necessário garantir no código fonte que ambos possuam endereços hexadecimais distintos para evitar conflitos no barramento de dados. ## 5. Comparativo com Produtos Similares | Produto | Conectividade | Sensores Suportados | Plataforma / App | Alimentação | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | **Rachio 3 Smart Sprinkler** | Wi-Fi (2.4/5 GHz) | Chuva, Vazão, Clima | Rachio App, Alexa | 24V AC | | **Orbit B-hyve** | Wi-Fi / Bluetooth | Chuva | B-hyve App | 24V AC / Pilhas | | **Rain Bird LNK** | Wi-Fi | Chuva, Temperatura | Rain Bird App | 24V AC | | **Sonoff 4CH PRO**| Wi-Fi / RF 433MHz | N/A (Apenas Relés) | eWeLink | 100-240V AC / 9-23V DC | | **Hunter Pro-HC** | Wi-Fi | Solo, Vazão | Hydrawise App / Tela local | 24V AC | | **Nosso Protótipo (ESP32)** | Wi-Fi | Chuva, Ultrasom, Temperatura/Pressão | MQTT / Tela OLED | 5V USB | ### 5.1. Produto de Referência: Sonoff 4CH Pro R3 Dentre os produtos listados, o Sonoff 4CH Pro R3 (junto com suas versões anteriores R2 e R1) é, de longe, o equipamento com a maior quantidade de informações disponíveis sobre a sua engenharia interna. #### 5.1.1 Arquitetura Física e Componentes (Teardown) Ao desmontar a carcaça e analisar as trilhas da placa de circuito, a comunidade descobriu que o modelo "Pro" não confia o trabalho pesado a apenas um chip, utilizando uma arquitetura de duplo microcontrolador: * **Processamento e Wi-Fi:** O cérebro de comunicação é um chip ESP8285 (que é basicamente um ESP8266 com memória flash já embutida no próprio chip), responsável por processar a lógica e conectar à rede sem fio. * **Gerenciamento Físico:** Há um segundo microcontrolador, um STM32, que cuida especificamente de ler os botões físicos da carcaça e acionar os relés eletromecânicos. * **Isolamento de Segurança:** Diferente de interruptores comuns, os relés desta placa são isolados da rede elétrica principal. Isso significa que os relés funcionam como "contatos secos", permitindo que você controle o motor de uma bomba 220V em um relé e uma válvula de 12V no outro, sem fechar curto-circuito. * **Falha de Hardware Descoberta:** A placa possui um módulo de radiofrequência 433MHz (SYN470R). A comunidade descobriu que este módulo sofre interferência externa pesada e pode ligar as bombas sozinho. Tem até um "hack" físico ensinado para resolver isso é pegar um estilete e cortar a trilha de comunicação na placa entre o chip de RF e o chip STM32. #### 5.1.2 O "Hack" de Firmware e Lógica de Operação De fábrica, a lógica do dispositivo obriga o microcontrolador a se comunicar exclusivamente com os servidores chineses do aplicativo eWeLink. Para subverter isso, a comunidade descobriu como apagar o sistema operacional de fábrica e instalar um sistema de código aberto focado em processamento local e envio de pacotes via protocolo MQTT. Com isso, os hackers mapearam a placa e encontraram buracos não soldados (pads) que dão acesso direto aos pinos de gravação serial do chip ESP (VCC, GND, TX, RX). #### 5.1.3 Referências das Informações Toda a documentação técnica sobre o mapeamento dos componentes eletrônicos, pinagem e métodos de substituição de firmware foi documentada no GitHub oficial do projeto Tasmota e bancos de dados de hardware IoT associados: * [Tasmota Device Documentation](https://tasmota.github.io/docs/devices/Sonoff-4CH-Pro): Disseca o hardware, aponta a topologia de duplo chip e alerta sobre a interferência de radiofrequência. * [Blakadder IoT Templates](https://templates.blakadder.com/sonoff_4CH_Pro): Detalha os passos lógicos de engenharia reversa para colocar o chip em modo de programação (aterramento do GPIO0) e lida com problemas de hardware como a inversão das portas de comunicação. ## 6. Tecnologias que Viabilizam a Existência do Produto Esta seção detalha os componentes técnicos e sistemas encontrados na literatura acadêmica que tornam possível a existência e o funcionamento eficiente dos controladores inteligentes de irrigação. ### 6.1. Arquitetura de Microcontroladores IoT (ESP32) O pilar estrutural desses sistemas é a adoção de microcontroladores modernos com capacidade de comunicação integrada. A ESP32 é um padrão dominante na pesquisa por agregar um processador robusto, pinos analógico-digitais (ADC) e suporte nativo ao barramento I2C, o que permite conectar simultaneamente uma Tela OLED 0.98" (I2c) e um Sensor de Pressão e Temperatura BMP180 e BMP280 (I2C) utilizando apenas dois pinos físicos de dados (SDA e SCL). ### 6.2. Sensoriamento Climático Indireto e Prevenção de Desperdício Controladores modernos eliminam a necessidade de sensores diretamente no solo apostando no cruzamento de dados de clima. A tecnologia embarcada do Sensor de Chuva detecta a presença imediata de água através da variação de condutividade em sua placa, enquanto o Sensor de Pressão e Temperatura BMP180 e BMP280 (I2C) fornece o contexto ambiental. Isso viabiliza algoritmos que inferem a evaporação da água no ambiente, otimizando o acionamento via Relé de 1 Canal sem o desgaste de sensores soterrados. ### 6.3. Comunicação LoRa (Long Range) e Topologias Mestre-Escravo Para aplicações onde a irrigação avança por longas distâncias (rurais ou extensões grandes), as tecnologias de Wi-Fi perdem eficácia. Diversos estudos aplicam a tecnologia LoRa (Long Range), operando em radiofrequências de baixo consumo. Isso permite que módulos periféricos usando o Sensor Ultrasom para medir reservatórios distantes consigam enviar dados a quilômetros de distância até a central processadora. ### 6.4. Protocolos MQTT e Sinalização de Falhas em Borda A inteligência do produto reside na comunicação ágil. Utiliza-se o protocolo MQTT para conectar a placa à internet com *payloads* extremamente leves. No entanto, a tecnologia viabilizadora de um bom produto é a sua redundância local: caso a rede caia, atuadores como o Buzzer Ativo e a Tela OLED 0.98" (I2c) garantem a tecnologia de *Edge Notification* (Notificação na Borda), permitindo que o operador agrícola identifique problemas mecânicos presencialmente mesmo sem sinal de Wi-Fi. ## 7. Aplicação e Uso do Produto A automação do gerenciamento hídrico via IoT possui diversas vertentes de aplicação no mercado atual, que vão desde uso cotidiano doméstico até a complexa otimização rural. ### 7.1. Agricultura de Precisão e Rega Condicional Ao invés de programar o relógio de irrigação para funcionar por uma hora fixa todo dia, sistemas baseados em IoT cruzam variáveis do ambiente. O monitoramento feito pelo Sensor de Pressão e Temperatura BMP180 e BMP280 (I2C), juntamente com a barreira de segurança física do Sensor de Chuva, garante que o Relé de 1 Canal acione a irrigação apenas em dias de alta evapotranspiração ou ausência de precipitação, impedindo inundações prejudiciais ao plantio. ### 7.2. Conservação Extrema de Recursos e Proteção de Maquinário A aplicação do Sensor Ultrasom diretamente nas caixas d'água ou cisternas cria uma aplicação de proteção de hardware. A bomba de água é a peça mais cara do sistema; se o nível do tanque estiver crítico, o microcontrolador barra a irrigação e salva a bomba de operar "a seco", evitando superaquecimento e queima do equipamento, o que gera uma economia dupla: em recursos hídricos e manutenção de máquinas. ### 7.3. Interface de Campo e Diagnóstico Imediato Muitas aplicações rurais sofrem com a falta de sinal de celular constante. Uma aplicação essencial do produto é sua interface local composta pela Tela OLED 0.98" (I2c) e pelo Buzzer Ativo. Se o reservatório esvazia de forma atípica (indicando um vazamento), o Buzzer soa um alarme no campo e a Tela exibe o código do erro, garantindo que a equipe de manutenção atue sem precisar consultar dashboards em nuvem. ## 8. Resumo dos Artigos Acadêmicos Selecionados Abaixo encontram-se os resumos sobre artigos acadêmicos selecionados para suportar o desenvolvimento e as tecnologias exploradas na fundamentação do projeto. ### 8.1. Artigos - Tecnologias Viabilizadoras **1. IoT based Smart Irrigation System using ESP32** * **Resumo/Contribuição:** O trabalho apresenta a implementação técnica para o controle centralizado via ESP32. Ele valida a eficiência de arquiteturas em que o microcontrolador processa dados ambientais e envia comandos utilizando módulos de potência, servindo como base técnica de hardware para o nosso uso do Relé de 1 Canal para isolar e controlar a irrigação. * **Link PDF:** [https://ieeexplore.ieee.org/document/9885308/](https://ieeexplore.ieee.org/document/9885308/) **2. IOT-Enabled smart drip irrigation system agriculture using LORA technology** * **Resumo/Contribuição:** O estudo demonstra a implementação de comunicações LoRa associadas à ESP32. Mostra como o gargalo do Wi-Fi convencional no meio rural é problematico, indicando como múltiplos nós de captação (como unidades de medição de caixas d'água com Sensor Ultrasom) podem passar dados sem infraestrutura complexa até a matriz, resolvendo o problema. * **Link PDF:** [https://www.researchgate.net/publication/401010675](https://www.researchgate.net/publication/401010675_IOT-Enabled_smart_drip_irrigation_system_agriculture_using_LORA_technology) **3. Smart Irrigation Monitoring and Controlling System with the Internet of Things (IoT)** * **Resumo/Contribuição:** Demonstra a integração com o ecossistema de nuvem aliada ao hardware de display (telas). O estudo valida a arquitetura que exibe dados locais de clima e status de rede simultaneamente. * **Link PDF:** [https://ieeexplore.ieee.org/document/10691362/](https://ieeexplore.ieee.org/document/10691362/) **4. IoT-Based Smart Irrigation System for Optimized Water Usage in Agriculture** * **Resumo/Contribuição:** Aborda regras lógicas de firmware implementadas na ESP32 associadas a *thresholds* (limites) climáticos. A pesquisa destaca métodos de mitigação baseados em ler temperatura e chuva simultaneamente, garantindo que o acionamento do sistema ocorra apenas quando ambas as condições (Sensor de Chuva inativo e Temperatura em elevação) exijam rega. * **Link PDF:** [https://ieeexplore.ieee.org/document/11258968/](https://ieeexplore.ieee.org/document/11258968/) ### 8.2. Artigos - Aplicação e Uso do Produto **5. Predictive Plant Irrigation Management System Using Machine Learning** * **Resumo/Contribuição:** Mostra que sistemas baseados em IoT ganham aplicações preditivas através do suporte de algoritmos que analisam históricos. Com base nas leituras térmicas e de chuva locais, o sistema prediz o esgotamento hídrico do solo com dias de antecedência, aplicando a utilidade de hardwares como o Sensor de Pressão e Temperatura BMP180/BMP280 no longo prazo. * **Link PDF:** [https://ieeexplore.ieee.org/document/11019360/](https://ieeexplore.ieee.org/document/11019360/) **6. IoT based Automated Irrigation and Fertilization System using Arduino** * **Resumo/Contribuição:** O artigo eleva a proposta de automação para incluir o monitoramento dinâmico de múltiplas bombas. Ele atesta o uso de lógicas seguras para isolar circuitos de alta tensão, justificando a arquitetura protetiva baseada em Relés e alarmes locais (como o Buzzer Ativo) presentes no nosso projeto. * **Link PDF:** [https://ieeexplore.ieee.org/document/10717514/](https://ieeexplore.ieee.org/document/10717514/) **7. Precision Agriculture Through Smart Irrigation and Real-Time Monitoring Using IoT and AI** * **Resumo/Contribuição:** Foca no uso industrial de microcontroladores em safras contínuas. Demonstra que a coleta constante de dados climáticos via barramentos otimizados (como o protocolo I2C) permite agilizar o tratamento estatístico do clima da fazenda, atestando a robustez da arquitetura utilizada. * **Link PDF:** [https://ieeexplore.ieee.org/document/11380111/](https://ieeexplore.ieee.org/document/11380111/) **8. Leveraging IoT and AI in Precision Agriculture for Efficient Water Management** * **Resumo/Contribuição:** Explora exaustivamente a relação entre o uso de leituras de precisão (nível de reservatórios e clima) e a conservação das nascentes. Serve como base para o argumento do forte apelo ecológico gerado pela automatização que propomos neste projeto. * **Link PDF:** [https://ieeexplore.ieee.org/document/10927765/](https://ieeexplore.ieee.org/document/10927765/)