A PLACA ARDUINO COM ETHERNET SHIELD E EXPERIÊNCIAS DE FÍSICA REALIZADAS REMOTAMENTE VIA REDE INTERNET

## A PLACA ARDUINO COM ETHERNET SHIELD E EXPERIÊNCIAS DE FÍSICA REALIZADAS REMOTAMENTE VIA REDE INTERNET

Marcele Lacerda Sarmento Torrão de Oliveira , Luiz Raimundo Moreira de 1 Carvalho 2 , Júlio Cesar Pontes de Figueiredo , Leon José de Oliveira Soares , 3 3 Mayke Armando do Valle 1 , Fabiano Pereira de Oliveira , Jorge Luiz Gomes 3 Dias 3 , Helio Salim de Amorim 4

1 Curso de Lic. em Informática, CEDERJ, Polo Três Rios (RJ), marceletorrao@gmail.com

2 ETE Henrique Lage (RJ), luiz.fisica.prof.etehl@gmail.com

3 Curso de Lic. em Física, CEDERJ, Polo Três Rios (RJ), figueiredo\_julio@hotmail.com

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Instituto de Física da UFRJ, hsalim@if.ufrj.br

## Resumo

Neste trabalho ressaltamos a possibilidade de utilização de um escudo ethernet para Arduino (Arduino Ethernet Shield) no monitoramento de experimentos físicos via internet. As oportunidades que as atuais tecnologias de medição oferecem devem ser usufruídas por estudantes e professores do Ensino Médio, notadamente as tecnologias de automação dos experimentos ou aquelas que permitem o acompanhamento remoto e/ou que possibilitem controlar um experimento à distância. A placa Arduino apresenta-se como uma plataforma versátil para a realização de diversos experimentos físicos, uma vez que suas funcionalidades podem variar conforme o uso de diferentes equipamentos (sensores, servomecanismos etc.) que podem ser conectados ao Arduino. Com a utilização de um ethernet shield acoplado à placa Arduino, estudantes do Ensino Médio terão a oportunidade de, pela internet, acessar um equipamento ou experimento, obtendo assim o resultado de medidas realizadas em outra localidade. O professor de Física poderá propor que seus estudantes apliquem essa tecnologia para monitorar um experimento realizado na escola, o que permitirá que estudantes de outras escolas também tenham acesso remoto ao experimento realizado.

Palavras-chave : experimento monitorado via internet, Arduino.

## Introdução

Nestes últimos anos temos encontrado uma quantidade expressiva de propostas de utilização da placa Arduino para controle e automação de experiências didáticas de Física [SOUZA et al. 2011; CAVALCANTE et al. 2011; CARVALHO et al. 2014]. Existem muitas variantes de placas Arduino oficiais e diversos outros modelos de 'placas-clone' (Boarduino, Freeduino, Seeeduino, Sanguino, Roboduino etc). Uma vez que tanto o hardware quanto o software do Arduino são de fonte aberta, os códigos (programas), os esquemas e os projetos dos Arduinos originais são 100% compatíveis com as placas de versões alternativas. O modelo de Arduino utilizado na implantação do projeto de comunicação via ethernet proposto neste trabalho foi o Arduino Uno - Revisão 3 (Figura 1). Todas as informações técnicas sobre essa placa e cópias do software para a programação da Arduino podem ser obtidos diretamente no site oficial www.arduino.cc [ARDUINO 2014].

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26 a 30 de janeiro de 2015

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Figura 1: Arduino Uno R3.

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## Segundo Michael McRoberts [McROBERTS 2011]:

'Em termos práticos, um Arduino é um pequeno computador que você pode programar para processar entradas e saídas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele. O Arduino é o que chamamos de plataforma de computação física ou embarcada, ou seja, um sistema que pode interagir com seu ambiente por meio de hardware e software.' [p. 22]

A escolha da placa Arduino para o desenvolvimento de projetos de instrumentação para o ensino de Física se baseia, em geral, na sua grande versatilidade. Ainda de acordo com Michael McRoberts [McROBERTS 2011]:

'A maior vantagem do Arduino sobre outras plataformas de desenvolvimento de microcontroladores é a facilidade de sua utilização; pessoas que não são da área técnica podem, rapidamente, aprender o básico e criar seus próprios projetos em um intervalo de tempo relativamente curto. [...] Há uma grande comunidade de pessoas utilizando Arduinos, compartilhando seus códigos e diagramas de circuito para que outros copiem e modifiquem. A maioria dessa comunidade também está muito disposta a auxiliar outros desenvolvedores.' [p. 20]

A proposta de realizar experimentos em modo remoto baseado na rede internet acompanha, de certa forma, a preocupação com a acessibilidade a recursos instrumentais especializados (e, em muitos casos, caros) ampliando os recursos de estudo e pesquisa de estudantes e professores. Um exemplo interessante é a implantação de observatórios astronômicos de acesso remoto, via internet, como o observatório que está sendo construído na cidade de Amparo/SP, que prevê sua utilização em atividades voltadas para o ensino de ciências [http://www.amparo.sp.gov.br/node/701]. Temos também como exemplo pioneiro nesta área o projeto do Observatório do Valongo, associado ao Departamento de Astronomia da UFRJ [WERNECK et al. 2004]. Em nosso projeto, procuramos desenvolver recursos de instrumentação para o ensino de Física que possam ser realizados no modo remoto com vantagens específicas e custos acessíveis. Neste trabalho discutimos os elementos básicos envolvidos em projetos dessa natureza baseados na placa Arduino.

## O Arduino Ethernet Shield

De uma maneira geral, os escudos ( shields ) são placas que podem ser adaptadas a uma placa controladora (como o Arduino, por exemplo). Basicamente, a aplicação de um shield permite a preparação de circuitos ou a conexão de dispositivos que expandem as funcionalidades da placa controladora. O escudo

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ethernet (Figura 2) permite que você conecte o Arduino à internet através de um cabo ethernet padrão. Acoplado ao Arduino (Figura 3), o escudo ethernet possibilita a transmissão de dados via internet.

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Figura 2: Arduino Ethernet Shield.

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Figura 3: Ethernet Shield sobre o Arduino Uno.

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Em nosso trabalho temos usado, além do shield ethernet oficial fabricado pela Arduino, o modelo W5100 fabricada na China.

## Elementos básicos de comunicação via escudo ethernet

O primeiro passo para a realização do monitoramento remoto, em termos de hardware , consiste em ter a Arduino acoplada ao escudo ethernet, ligada a uma fonte externa de tensão e a uma porta LAN de um roteador local (Figura 4).

Figura 4: Arduino Uno conectado via escudo ethernet a um cabo de rede e a um cabo de conexão com uma porta USB de um PC. Uma vez programada, a placa pode ser alimentada por uma fonte externa de tensão (9 VDC) operando de forma independente do PC como um dispositivo isolado ('stand alone').

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Em termos de software, o Arduino Uno deve estar programado para atuar como controlador tanto do escudo ethernet quanto de qualquer outro componente que esteja conectado a ele. Através da programação adequada, o Arduino também atua como servidor, podendo disponibilizar uma página que pode ser visualizada em um navegador. Para Michael McRoberts [McRoberts 2011]:

'A capacidade de conectar seu Arduino a uma rede ou à internet torna possível muitos projetos diferentes. Você pode enviar dados para sites, como atualizações no Twitter. Também poderá controlar o Arduino pela internet, ou utilizá-lo como um servidor web para disponibilizar páginas simples contendo dados de sensores, e assim por diante.' [p. 385]

A programação de uma placa Arduino é feita através de comandos que formam esquetes ( sketches) . Um sketch é um software escrito na linguagem que o Arduino compreende, denominada Processing (derivada da linguagem C). A estrutura básica de ligação de uma placa Arduino à rede internet pode ser visualizada na Figura 5.

Figura 5: Representação esquemática dos componentes típicos envolvidos na ligação da placa Arduino à rede internet para a realização remota de experiências.

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Todo o sistema de identificação das partes envolvidas na comunicação em rede se baseia num protocolo numérico de endereços análogo ao código de endereçamento postal (CEP) usado pelos Correios para entregar nossa correspondência. Esse protocolo é conhecido pela sigla IP ( Internet Protocol ). Nesse esquema, em termos gerais, a placa Arduino passa a ser identificada por um IP e tem um funcionamento autônomo ( stand alone ) como se fosse um computador integrante de uma rede local. A rede local (intranet) é gerenciada por um roteador que permite a comunicação dos integrantes da rede local com a rede externa

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(internet). Os elementos da rede interna se conectam ao roteador através de portas LAN ( local area network ), usando cabos ou através de sinais de rádio, tipo wi-fi ( wireless fidelity ). O roteador está ligado à rede externa através de uma linha de comunicação, ou porta, WAN ( wide area network ). Na situação mais comum a porta WAN é estabelecida através de uma linha telefônica com auxílio de um modem . Nos dispositivos mais recentes, modem e roteador estão integrados num único aparelho. Cada membro da rede local tem um IP próprio definido localmente. A porta WAN, por sua vez, tem um IP próprio que é negociado com o provedor da rede externa. Para fazer o acesso remoto a uma experiência didática baseada na plataforma Arduino é necessário antes promover a integração da unidade local a esse esquema. Uma primeira etapa mais simples e imediata consiste em promover a integração da Arduino à rede local permitindo o acesso à atividade didática a partir dos computadores que integram a rede local da escola. Uma segunda etapa mais trabalhosa consiste em permitir o acesso a um computador ligado à rede externa (internet). Nesse caso será necessário contratar um serviço de DNS ( Domain Name System ou sistema de nomes de domínios), ou seja, estabelecer um nome de domínio para o seu servidor Arduino. Quando escrevemos o nome de domínio www.sbfisica.org.br na barra de endereços de nosso navegador uma solicitação é enviada a um servidor de DNS que traduz esse nome em um IP que é o código efetivamente usado para o acesso à página da Sociedade Brasileira de Física. Na Figura 5 indicamos o provedor de DNS no esquema geral.

Para colocar a Arduino em comunicação com a rede interna e externa é necessário, assim, proceder a configuração de uma série de serviços. O professor interessado poderá se beneficiar da ajuda de um técnico especialista em rede internet para auxiliá-lo, mas seria muito interessante se o próprio professor puder dominar alguns conhecimentos básicos dessa técnica. Em parte para ter mais liberdade em projetar novos serviços, mas principalmente para promover essas informações com seus alunos dentro de uma perspectiva de trabalho mais colaborativa. Nesse sentido, nosso trabalho tem como um dos produtos uma apostila didática com informações mais detalhadas de como proceder a essas configurações e alguns exemplos práticos de experiências de Física com acesso remoto aplicadas com nossos alunos.

## Um exemplo de aplicação

Apresentamos a seguir um exemplo simples de uma experiência didática assistida pelo sistema Arduino/placa ethernet como um servidor de rede e de fácil implantação. Todos os detalhes da montagem experimental e de resultados obtidos com nossos alunos serão apresentados e discutidos no SNEF/2015 e poderão ser encontrados na apostila didática que já nos referimos acima. Nesse exemplo usamos um sensor de temperatura baseado numa resistência NTC ( negative temperature coefficient ) e um sensor de distância ultrassônico modelo HC-SR04. O objetivo é medir com o sensor ultrassônico o tempo gasto por uma onda sonora para percorrer uma distância fixa, isto é, a distância entre o sensor e uma parede no laboratório, e medir com o sensor de temperatura, a temperatura do ar no mesmo local. Na Figura 6 mostramos o esquema de ligação.

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Figura 6: Esquema de uma experiência para acesso remoto envolvendo a medida de tempo necessário para uma onda sonora percorrer uma distância fixa, com auxílio de um sensor de distância ultrassônico, e a medida da temperatura do ar, com auxílio de um termistor NTC (negative temperature coefficient) calibrado. Objetiva-se com essas medidas um estudo investigativo da influência da temperatura sobre a velocidade de propagação de ondas sonoras.

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Os alunos são instruídos a fazerem o acesso ao servidor Arduino, em diferentes horários do dia, obtendo assim o tempo de propagação do pulso sonoro ao alvo fixo (parede) e a temperatura do ar naquele momento (To). Ao fazer o acesso ao servidor Arduino essas duas medidas são apresentadas e atualizadas em intervalos de tempo regulares. Se dividirmos a distância sensor-parede (Do), mantida fixa, pelo tempo de propagação ( Δ t) obtemos a velocidade do som no ar nas condições atuais (vsom (To))

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A velocidade efetiva de propagação do som no ar depende da temperatura através da relação

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onde R é a constante universal dos gases (~ 8,31 J/K.mol), M é molécula-grama do ar (~ 28,8 g/mol), γ uma constante (~ 1,40 para gases diatômicos) e T a temperatura absoluta (escala kelvin) do ar [NUSSENZVEIG 2002]. Nessa relação assumimos que o ar atmosférico se comporta como um gás ideal, que como sabemos é uma aproximação muito boa. Em síntese, devemos esperar observar que

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Os alunos são instruídos a analisar a validade dessa relação obtendo valores de vsom(To) e To em diferentes momentos do dia, em diferentes dias, aproveitando assim as variações diurnas da temperatura. Na Figura 7 vemos a

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imagem da tela de um computador acessando o servidor Arduino. Na página acessada está o tempo de propagação do pulso ultrassônico até a parede e a temperatura (To). A tela é atualizada a cada 1 minuto com novos valores, tempo esse que pode ser facilmente mudado na programação da Arduino.

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Figura 7: Visualização, em um navegador, das leituras obtidos por um termistor NTC e por um sensor de distância ultrassônico, ambos controlados por uma placa Arduino Uno conectada à rede internet através do uso de um ethernet shield.

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As medidas podem ser tabeladas a partir de valores vsom(To), To, data e hora de acesso ao servidor, obtidos por toda a turma e uma análise final pode ser realizada a partir dessa base completa de dados. A dependência entre velocidade e temperatura pode se basear num método gráfico: por exemplo, o modelo sugere que um gráfico de (vsom) versus temperatura To deve resultar em um reta, o que pode 2 ser facilmente verificado. A dispersão de dados deve ser avaliada uma vez que, seguramente, vamos encontrar muitas medidas feitas nas mesmas condições de temperatura o que permite por fim avaliar a precisão final das medidas.

## Considerações finais

Esperamos que professores e alunos do Ensino Médio tenham, a partir deste trabalho, a motivação para realizar medidas de diversas naturezas em diferentes experimentos com a possibilidade de divulgar os resultados, em tempo real, para qualquer público através da internet. No momento, exemplos práticos de aplicações de recursos de instrumentação para o ensino de acesso remoto, via rede, é muito incipiente, mas as perspectivas são muito boas. Do ponto de vista pedagógico, a criação de uma rede de facilidades experimentais ou de uma comunidade que torne disponível medidas obtidas em diferentes experimentos realizados em diferentes localidades certamente estimulará a troca de informações entre professores e estudantes, alavancando a aprendizagem em Física.

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Particularmente interessante é a possibilidade de se disponibilizar a partir de um laboratório escolar o acesso a recursos muito especializados, como é o caso de um telescópio ou de um microscópio potente. Vemos também a possibilidade de compartilhamento de ambientes geográficos especializados como é o caso de escolas situadas em altas altitudes, na floresta amazônica ou no semiárido nordestino. Acreditamos que com essas novas tecnologias estamos vendo o nascimento de uma nova área de estudos de instrumentalização para o ensino de Ciências e, em particular, para o ensino de Física.

## Referências

## ARDUINO. Arduino Website .

Disponível em http://arduino.cc/en/Reference/Ethernet. Acesso em 17/mai/2014.

CARVALHO, L. R. M. de; AMORIM, H. S. de; Observando as marés atmosféricas: Uma aplicação da placa Arduino com sensores de pressão barométrica e temperatura , Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 36, n. 3, 3501 (2014).

CAVALCANTE M. A.; TAVOLARO C. R. C.; MOLISANI E.; Física com Arduino para Iniciantes , Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 4, 4503, (2011).

MCROBERTS, Michael. Arduino Básico . São Paulo: Novatec, 2011.

NUSSENZVEIG, H. M.; Curso de Física Básica , Vol. 2, Editora Edgard Blücher Ltda, 2002.

SOUZA, A. R. de; PAIXÃO, A. C.; UZÊDA, D. D.; DIAS, M. A.; DUARTE, S.; AMORIM, H. S. de; A placa Arduino: uma opção de baixo custo para experiências de física assistidas pelo PC , Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 1, 1702 (2011).

WERNECK, L. S.; NADER, R. V.; CAMPOS, J. A. S.; O Telescópio Remoto do Observatório do Valongo , Boletim da Sociedade Astronômica Brasileira, Editado por Vera A. Fernandes Martin, Rio de Janeiro, UFRJ, 2004. p. 189.

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