Irrigações Automatizadas Com Web Service Utilizando Python

Neste projeto iremos desenvolver um sistema de monitoramento para plantações, que irá obter dados de umidade relativa do ar, pressão atmosférica, temperatura do ar, incidência UV, velocidade do vento e condição da planta (seca/molhada). Alguns desses dados são obtidos localmente, enquanto outros são obtidos por meio de um Web Service conectado à uma estação meteorológica (No caso, estamos utilizando a da Faculdade de Engenharia de Sorocaba). Após adquiridos, os dados serão disponibilizados em uma aplicação web baseada em ThingSpeak.

Step 1: Hardware Utilizado

Foi utilizado para a construção deste projeto:

1x Qualcomm Dragonboard 410c

1x Grove Seeed Sensor Mezzanine

1x Water Seeed Sensor

1x IMU 10OF Grove Sensor v1.0

1x Sunlight Grove Sensor v1.0

1x Mouse USB

1x Teclado USB

1x Monitor

1x Cabo HDMI

1x Adaptador HDMI-VGA

Acesso à dados da estação meteorológica FACENS

Step 2: Montagem Do Hardware

Após conectar a placa Sensor Mezzanine à dragonboard, execute a ligação de acordo com o esquemático anterior, sendo:

1: Conexão direta entre o sensor Groove Sunlight v1.0.

2: +5V conectado ao Vcc do IMU-10DOF.

3: +5V e Gnd conectados aos pinos correspondentes do Water sensor.

4: GND IMU-10DOF.

5: SDA/SCL conectado ao pino correspondente do IMU-10.

6: Pino Sig do Water sensor conectado ao pino 2.

Step 3: Firmware Atmega328

Através da Sensors Mezzanine, é possível acessar um microcontrolador Atmega328, o mesmo utilizado em plataformas Arduíno, e programá-lo diretamente, utilizando a IDE Arduíno instalada na DragonBoard. Vale ressaltar que a Mezzanine e a DragonBoard em conjunto possuem todo os periféricos necessários para a programação e gravação do firmware no microcontrolador.

O firmware embarcado é responsável por realizar as leituras dos sensores, gerenciando os protocolos de comunicação e operação dos mesmos, e após a aquisição dos dados, os encaminha via porta serial para a DragonBoard.

*Pode ser necessario a inclusão das bibliotecas utilizadas no firmware. Elas podem ser encontradas em:

imu-10DOF

Sunlight Sensor

O firmware utilizado pode ser encontrado aqui ou aqui:

Step 4: Programação Em Python

Para o programa criado, foram necessários os seguintes imports: 'urllib2', 'json', 'time', 'serial', 'paho.mqtt.publish', 'psutil' e 'decimal'. Foram definidos duas funções ('comJSON' e 'semJSON') que serão explicadas mais tarde.

<p>import urllib2, json #para pegar os dados da estacao<br>import time #para o time.sleep()
import serial #para o Arduino
import paho.mqtt.publish as publish #para publicar
import psutil #para configurar o url
import decimal #para converter</p>

O primeiro passo é gravar em uma variável o endereço de onde serão obtidos os dados da Estação Meteorológica (no caso estamos gravando na variável 'url'). Em seguida, inicializamos duas variáveis ('i' e 'j'), utilizando 'i' para pegar os dados mais atuais do Array que iremos receber via JSON (como a posição mais recente da Array será a 49, inicializamos 'i' como 49) e 'j' para contar quantas vezes o código já rodou.

<p>url = "http://www.fieldclimate.com/api/CIDIStationData/GetLast?user_name=facens&user_passw=clima&station_name=002035C0" #Define o URL da estação</p><p>i = 49 #Para pegar os dados mais atuais da estação
j = 0 #Passo do programa</p>

Entrando no 'while(1)', inicializamos a variável 'jsonurl' como 'None'. Esta variável irá abrir a URL JSON, portanto ao inicializarmos ela no início do 'while', estamos então resetando ela toda vez que repetirmos o loop. O próximo passo é abrir o URL usando a função 'urllib2.urlopen(url)', podendo também adicionar um argumento 'timeout=X', sendo X uma quantidade em segundos limite para o URL ser aberto. Se o programa conseguir abrir a URL dentro do tempo do timeout, o programa irá realizar a função 'comJSON' mencionada anteriormente. Caso não consiga abrir a URL no tempo estipulado, realiza-se a função 'semJSON'. Ambos as funções são muito parecidas, tendo como diferença os dados da estação ('comJSON' irá mostrar e enviar os dados da estação, enquanto 'semJSON' não). Como 'semJSON' é uma função derivada de 'comJSON'. Iremos explicar somente a 'comJSON'

while(1):
	jsonurl = None #Inicializa a varivavel como None
	print 'Passo:', j
	print 'Atualizando dados'
	try:
		jsonurl = urllib2.urlopen(url, timeout = 5) #tenta abrir o url em no máximo 5 segundos
		if jsonurl is not None:
			print 'Dados atualizados'
			comJSON(jsonurl) #Se conseguiu abrir o URL, mostra todos os dados
	except:
		if jsonurl is None:
			print 'Erro ao atualizar dados'
			semJSON() #Se não abriu o URL, mostra os dados obtidos localmente (do Arduino)
		pass
	j += 1
	print '--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------\n'
	time.sleep(1)

Na primeira linha da função 'comJSON', recebemos todos os dados da URL já abertos numa variável 'dados'. Esta irá receber um objeto com duas Arrays, das quais iremos somente usar uma ('ReturnDataSet'). Realizada esta operação, iremos então inicializar o Serial do Arduíno e ler as linhas (readline()) que o Arduíno está imprimindo e jogando as Strings convertidas dentro de variáveis e, então, mostrando esses dados na tela. Recebidos os dados do Arduíno, receberemos os dados da estação, simplesmente acessando os sensores específicos dentro do objeto 'dados' (por exemplo '['ReturnDataSet'][i]['sens_aver_6_5]') e então mostramos estes novos dados na tela também.

def comJSON(jsonurl): #envia todos os dados
	dados = json.loads(jsonurl.read()) #carrega os dados JSON da página já aberta
	#Arduino
	ard = serial.Serial('/dev/tty96B0', 115200) #inicializa a variavel que receberá os dados do Arduíno
	#Recebe os dados do Arduíno
	ardAgua = int(ard.readline().rstrip())
	ardTemp = float(ard.readline().rstrip())
	ardPres = int(ard.readline().rstrip())
	ardUV = float(ard.readline().rstrip())
	print "\nArduino"
	if ardAgua == 1:
		print 'Molhado'
	else:
		print 'Seco'
	print 'Temperatura:', ardTemp, '*C'
	print 'Pressao:', ardPres, 'Pa'
	print 'Ultra-Violeta:', ardUV, 'lx'
	#Estacao
	print '\nJSON'
	print 'URL:', jsonurl
	#Recebe os dados da estação
	data = dados['ReturnDataSet'][i]['f_date']
	vel_vento = dados['ReturnDataSet'][i]['sens_aver_6_5']
	umidade = dados['ReturnDataSet'][i]['sens_aver_19_507']
	print 'Data:', data
	print 'Velocidade do Vento:', vel_vento, 'm/s'
	print 'Umidade do ar:', umidade, '%'
	#Converte
	vel_vento = decimal.Decimal(vel_vento.rstrip())
	umidade  = decimal.Decimal(umidade.rstrip())

O próximo passo é enviar todos esses dados coletados. Para isso, precisamos colocar a ID do canal, a Chave de Escrita e o Host em variáveis, além de configurar o useUnsecuredTCP, useUnsecuredWebsockets e useSSLWebsockets (usamos True, False, False). Criamos mais uma variável que irá guardar o 'caminho' para o canal, e uma outra para guardar, em String, o que será enviado para o servidor (com todas as variáveis convertidas) e então tentar publicar os dados no servidor usando 'publish.single(topic, payload=tPayload, hostname=mqttHost, port=tPort, tls=tTLS, transport=tTransport)'. A função então acaba e retorna para o loop principal.

#Envia
	channelID = "344243" #Canal criado para o grupo
	apiKey = "1PK9ELK0L4AH8CVP" #Código dado pelo ThingSpeak
	mqttHost = "mqtt.thingspeak.com"
	#configurações de comunicação
	useUnsecuredTCP = True
	useUnsecuredWebsockets = False
	useSSLWebsockets = False
	if useUnsecuredTCP:
		tTransport = "tcp"
		tPort = 1883
		tTLS = None
	if useUnsecuredWebsockets:
		tTransport = "websockets"
		tPort = 80
		tTLS = None
	if useSSLWebsockets:
		import ssl
		tTransport = "websockets"
		tTLS = {'ca_certs':"/etc/ssl/certs/ca-certificates.crt",'tls_version':ssl.PROTOCOL_TLSv1}
		tPort = 443
	topic = "channels/" + channelID + "/publish/" + apiKey #Cria variavel com o 'caminho' para o canal
	tPayload = "field1=" + str(ardAgua) + "&field2=" + str(ardTemp) + "&field3=" + str(ardPres) + "&field4=" + str(ardUV) + "&field5=" + str(data) + "&field6=" + str(vel_vento) + "&field7=" + str(umidade) #Organiza todas as variaveis em uma String para ser enviado
	print 'Enviando dados'
	try:
		publish.single(topic, payload=tPayload, hostname=mqttHost, port=tPort, tls=tTLS, transport=tTransport) #Envia os dados
		time.sleep(0.5)
		print 'Dados enviados'
	except:
		print 'Erro ao enviar dados'

Step 5: Configurando O Web Service

Para enviar os dados obtidos ao Web Service, utilizamos a plataforma ThingSpeak. Para tal, entramos no site thingspeak.com e criamos uma conta. Após a criação e login na conta, nos dirigimos ao cabeçalho de menus -> Canais -> Meus Canais e então clicamos no botão "Novo Canal". Ao clicar, escolhemos o nome do Canal, escrevemos uma descrição para ele, e então decidimos quantos dos 8 campos possíveis utilizaríamos. No caso, utilizamos 7.

Ao criar um canal, é gerado um ID do Canal, uma Chave de Escrita e uma Chave de Leitura. O ID do Canal se encontra abaixo do nome do canal e a Chave de Escrita na aba "Chaves". Para que o código Python envie as informações obtidas para o canal é, necessário configurá-lo ao ID do Canal:

channelID = "Insira o ID do Canal aqui"

E também com a Chave de Escrita:

apiKey = "Insira a Chave de Escrita"

Além da conexão com o canal criado, também são necessárias outras configurações no código em Python app.py:

useUnsecuredTCP = True
useUnsecuredWebsockets = False<br>useSSLWebsockets = False
mqttHost = "mqtt.thingspeak.com"
if useUnsecuredTCP:
	tTransport = "tcp"
	tPort = 1883
	tTLS = None
if useUnsecuredWebsockets:
	tTransport = "websockets"
	tPort = 80
	tTLS = None
if useSSLWebsockets:
	import ssl
	tTransport = "websockets"
	tTLS = {'ca_certs':"/etc/ssl/certs/ca-certificates.crt",'tls_version':ssl.PROTOCOL_TLSv1}
	tPort = 443
topic = "channels/" + channelID + "/publish/" + apiKey

Para que a aplicação web realmente receba, por exemplo, o valor Temperatura no campo 2 (campo que escolhemos para ser a Temperatura), é necessario indicar o "field2="+variável_temperatura, como no código a seguir:

tPayload = "field1=" + str(ardAgua) + "&field2=" + str(ardTemp) + "&field3=" + str(ardPres) + "&field4=" + str(ardUV) + "&field5=" + str(data) + "&field6=" + str(vel_vento) + "&field7=" + str(umidade)

Tendo vinculado todos os dados do Canal à programação em Python, basta executar o código que todos os dados escolhidos são enviados ao Web Service. No ThingSpeak, é possível realizar todo o monitoramento através de gráficos.