Rede de Sensores



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Pontifícia Universidade Católica de São Paulo

Webduino e RVA : a criação de uma “Rede de Sensores” aplicada ao Ensino de Ciências.

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Webduino e RVA : a criação de uma

Rede de Sensores” aplicada ao Ensino de Ciências.




Apoio Financeiro: projeto aprovado no edital 14/2011 Universal do CNPq com o apoio total de R$ 16.800,00 – Processo 475347/2011-0

Gopef - Grupo de Pesquisa em Ensino de Física da PUC/SP

www.pucsp.br/gopef


Coordenação: Profa. Dra. Marisa Almeida Cavalcante


Relatório Final

Dezembro de 2013





Sumário


CONSIDERAÇÔES 47

PROCEDIMENTOS 48

REFERÊNCIAS 49

CONSIDERAÇÔES 50

PROCEDIMENTOS 50

CONSIDERAÇÔES 51

PROCEDIMENTOS 51

CONSIDERAÇÔES 52

PROCEDIMENTOS 53

Configuração no servidor 53

Configuração nas câmeras 53

Publicação das imagens 54

REFERÊNCIAS 54

CONSIDERAÇÔES 55

PROCEDIMENTOS 55

CONSIDERAÇÔES 56

PROCEDIMENTOS 57

Registrar o experimento para o cliente 57

Registrar o experimento no sistema 58

Registrar o experimento no banco de dados 61

Observações 61

CONSIDERAÇÔES 63

PROCEDIMENTOS 63

CONSIDERAÇÔES 65

PROCEDIMENTOS 66

IMPORTAÇÃO 67

Eclipse 67

EXPORTAÇÃO 69

OBSERVAÇÔES 72

Resumo 102






Observações iniciais e Resumo das Atividades Desenvolvidas



O relatório aqui apresentado contempla as atividades desenvolvidas durante dois anos do projeto; “Webduino e RVA : a criação de uma “Rede de Sensores” aplicada ao Ensino de Ciências”. O cronograma sofreu pequenas alterações especificamente com relação à previsão de oficinas de RVA com o prof. Claudio Kirner da Universidade Federal de Itajubá, colaborador deste projeto. Tais alterações foram necessárias tendo em vista o enfrentamento de algumas dificuldades impostas pela PUC/SP. Em primeiro lugar devemos citar a demora na liberação de sala para o desenvolvimento do projeto que ocorreu apenas após 8 meses da sua data de aprovação. Em segundo lugar a eliminação de horas pesquisas para os pesquisadores e particularmente da coordenação.

Com isso tivemos um tempo efetivo de desenvolvimento equivalente há 16 meses e de outro, a suspensão do apoio bolsa pesquisa. A concessão de horas pesquisa ocorreu apenas de agosto de 2012 a agosto de 2013. De janeiro de 2012 a agosto de 2013 a coordenação precisou assumir muitas horas-aula para manter o contrato de tempo integral, restando poucas horas para dedicação ao projeto. É bom que se diga que no período de agosto de 2013 até a presente data a coordenação deste projeto optou por reduzir seu contrato de tempo integral para tempo parcial 30 horas, acarretando em prejuízo financeiro de natureza pessoal, para que fosse possível honrar com os compromissos junto ao CNPq, tendo em vista a suspensão de apoio institucional por intermédio do Conselho Administrativo da Fundação São Paulo, mantenedora da PUC/SP.

Para contornar tais dificuldades, optamos por utilizar aplicativos em RVA desenvolvidos no Zooburst para cada experimento, por meio de conta particular da coordenação deste projeto. Estes aplicativos deram um toque especial aos experimentos remotos. Através deles é possível o usuário conhecer os objetivos de cada experimento bem como o seu desenvolvimento em linhas gerais.

Por um lado foi possível cumprir de modo bastante criativo com a inserção de RVA no Weblab da PUC/SP, apesar da ausência das oficinas em RVA previstas, e de outro este recurso permite não apenas contextualizar cada experimento de modo dinâmico, atual e muito estimulante, motivando o visitante a conhecer mais detalhes acerca da proposta experimental apresentada.

Em contrapartida uma das iniciativas não previstas no cronograma, mas que contribuiu de modo significativo para potencializar ainda mais o alcance e abrangência do Weblab da PUC/SP foi o desenvolvimento de experimentos intermediados por uma interface de voz, destinada ao publico com deficiência motora. Trata-se do projeto de Iniciação Cientifica premiado com menção honrosa em 2013, do aluno Bruno Stabile, bolsista, IC do CNPq e pesquisador neste projeto. Neste trabalho intitulado “Desenvolvimento de interface padrão de comando com reconhecimento de voz para diferentes dispositivos e experimentos monitorados e controlados remotamente” procuramos nos ater a questões do tipo;

Até que ponto as tecnologias desenvolvidas e disponíveis possibilitam uma ampla e total inclusão aos serviços, produtos e informação?

Quantos laboratórios de sensoriamento remoto disponíveis na web possibilitam acesso e interatividade aos experimentos de modo mais amplo?

Percebemos que é preciso abraçar estas questões e enfrentá-las de tal modo que a tecnologia e seus avanços possibilite uma maior integração de seus usuários, oferecendo amplo acesso aos serviços, produtos e informações incluindo neste rol os portadores de necessidades especiais de ordem física, que são; hemiplégicos, paraplégicos, tetraplégicos (incluindo sujeitos com membros amputados).



O foco deste trabalho de IC foi atender o usuário com necessidades especiais de natureza física e para isso criou-se uma interface de comunicação mais amigável entre dispositivos eletrônicos e pessoas com base na interpretação da voz, utilizando-se também do Arduino. O blog deste projeto está disponível em http://weblabvoz.blogspot.com.br/ .

Uma ação que possibilitou agilidade na produção de conteúdos foi à construção de blogs para cada experimento, tendo em vista que a atualização dos sites na PUC/SP só pode ser efetivada por meio do setor responsável do DTI.

Outra observação importante é que foi construído um site provisório para testes internos dos experimentos remotos cujo endereço foi http://weblabduino.pucsp.br/. No entanto, o setor DTI da instituição estruturou um novo site com um design bastante moderno e atual, cujo endereço previamente fixado foi http://www.pucsp.br/weblab .

Porém o transporte de conteúdo para o novo site deve obedecer à uma ordem de construções e publicações internas deste setor, o que pode eventualmente, quando da leitura deste relatório pelo parecerista, pode ainda não ter ocorrido.

O acesso remoto aos experimentos, no entanto, poderá ser efetivado através dos blogs correspondentes que remeterá a plataforma WeblabDeusto com acesso liberado para visitantes.

Ao longo da leitura deste relatório será possível perceber que apesar das inúmeras dificuldades impostas pelo recuo no apoio institucional ao projeto, conseguimos cumprir com todos os objetivos propostos de modo criativo e eficaz e incluímos ainda experimentos remotos controlados por voz permitindo ampla acessibilidade aos usuários.

Uma das preocupações do Weblab da PUC/SP e apontadas em seu projeto, são a divulgação e capacitação dos usuários no uso e manuseio do Arduino para o ensino de ciências, bem como possibilitar ampla divulgação da rede de sensores, construindo material instrucional para que professores e estudantes da escola básica possam disponibilizar seus sensores em servidores gratuitos existentes na Web, tais como o antigo Pachube; atualmente Xively.

Estes objetivos foram amplamente atingidos através de iniciativas como o oferecimento de orientação técnica correlacionada ao uso de Scratch for Arduino aos coordenadores pedagógicos de Física da rede estadual de ensino de São Paulo.

Além disso, vários tutoriais foram estruturados para possibilitar que qualquer usuário com o mínimo de conhecimento possa disponibilizar seus sensores na web e monitora-los remotamente.

A divulgação dos trabalhos produzidos pelo Weblab da PUC/SP foi também efetivada no meio científico através da apresentação de vários trabalhos em congressos e simpósios correlacionados a esta área de conhecimento, bem como a publicação de artigos em revistas cientificas de relevância nacional e internacional.

Com todos os aspectos apresentados julgamos que o projeto “Webduino e RVA: a criação de uma “Rede de Sensores” aplicada ao Ensino de Ciências” foi bem sucedido, trazendo consigo aspectos inovadores que vão desde a criação de recursos de apoio pedagógico aos professores e estudantes da escola básica, com relação ao uso de tecnologias atuais como a automação e a RVA até a inclusão de indivíduos portadores de deficiência motora, abraçando questões de grande relevância como a acessibilidade.

Neste relatório apresentamos em detalhes a plataforma que escolhemos para a hospedagem dos experimentos que é um projeto open-source desenvolvido pela Universidade de Deusto; Weblab-Deusto. Dentre as inúmeras vantagens na sua utilização, destaca-se o fato de possuir um framework flexível reunindo toda a integridade, garantindo segurança, agilidade, escalabilidade; recursos essenciais para este serviço.

Além disso, toda a documentação referente à sua instalação, manutenção, inserção de webcam de novos experimentos, etc. também se encontra descrita neste relatório e disponível no Google Projects do Webduino https://code.google.com/p/weblabduino/.

É importante destacar que este procedimento garante que o Webduino tenha “vida própria”, ou seja, que se possa dar continuidade ao projeto independentemente da equipe que o coordena. É um projeto da comunidade PUC/SP e assim, acreditamos que deve ser qualquer projeto de natureza institucional, apesar da suspensão de apoio no decorrer do seu desenvolvimento.


  1. Introdução

Ao longo dos últimos anos muitos trabalhos têm sido realizados no sentido de apontar possibilidades de inserção de diferentes tecnologias em sala de aula, desde a construção de interfaces com conexão a entrada paralela dos computadores e a programação do software de aquisição em Q.Basic até a utilização de placas de som como interface de aquisição de dados, em que sensores analógicos e digitais são conectados a entrada de joystick e outros em que a entrada de microfone faz a captura de sinais. Nesse contexto, desde 2005 que a equipe proponente deste projeto, desenvolve sistemas de aquisição de dados de baixo custo aplicando-os em disciplinas experimentais dos cursos de Engenharia, Física e Ciência da Computação da PUC/SP e em oficinas de capacitação docente, utilizando a placa de som como interface de conversão e em particular a entrada de microfone. Nestes sistemas, fototransistores são conectados diretamente a entrada de microfone dos computadores e softwares de análise sonora com versões freeware, permitindo obter informações de tempo com precisões da ordem de milissegundos.

É importante salientar que a inserção de tecnologias computacionais, como as propiciadas por sistemas de aquisição de dados, possibilita dentre outras coisas transformar a sala de aula em um ambiente de investigação, valorizando os objetivos educacionais e não meramente instrucionais sendo este um dos pontos motivadores para apresentação deste projeto.

No entanto, na última década muitos projetos envolvendo ferramentas de programação e interfaces surgiram, possibilitando abrir novos caminhos para a inserção de tecnologias dentro e fora da sala de aula. Focaremos nossa atenção em um projeto conhecido como Arduino e dentre as inúmeras justificativas para sua utilização está a existência de um grande número de projetos disponíveis na web em diferentes idiomas e em diferentes áreas do conhecimento caracterizando esta plataforma, como uma tecnologia essencialmente interdisciplinar.

Este projeto pretende desenvolver diferentes recursos didáticos que possibilitem não apenas ensinar conceitos Físicos, mas também traga aos nossos jovens e professores um maior domínio da tecnologia.

Pretendemos neste projeto também utilizar plataformas como Pachube, atualmente Xively1, para compartilhar experimentos on-line possibilitando incorporar o Ensino de Ciências na já conhecida rede de sensores, agregando valores à experimentação didática.

No entanto, neste projeto, a integração na “Internet das coisas” com o Arduino, também deverá vincular o uso de sensores à Realidade Aumentada (RA) numa área conhecida como Cross-Reality, ou seja, desenvolveremos sistemas que possibilitem que ações no mundo virtual se reflitam no mundo real e vice-versa, tal como vem sendo desenvolvido pelo grupo de pesquisadores do MIT (o Instituto Tecnológico de Massachusetts), com ações focadas essencialmente no ensino de Ciências. Para esta etapa do projeto contaremos com a assessoria e parceria do prof. Dr. Claudio Kirner, pesquisador de reconhecida contribuição em RVA e que no projeto encaminhado ao edital Universal é um dos pesquisadores colaboradores neste projeto

Levando-se em conta o baixo custo e facilidade de manuseio tanto do micro-controlador que constitui o Arduino, bem como dos softwares Open-Source disponíveis para o desenvolvimento de projetos de RA, julgamos que este trabalho poderá contribuir como mais uma ferramenta de aprendizagem que possibilitará a usuários a partir do nível fundamental desenvolver competências de forma interativa e lúdica, contribuindo para o desenvolvimento educacional das novas gerações suportado no acesso a novas tecnologias.




  1. Metodologia

Nos últimos anos, o desenvolvimento tecnológico tem facilitado, de várias maneiras, o nosso cotidiano. Sistemas computacionais estão presentes não apenas nas residências, mas em todos os lugares que circulamos, no controle do trânsito, nos supermercados, nas agências bancárias, nos aparelhos de telefonia celular, etc. Ensinar Física no século XXI pode ser uma tarefa extraordinária, já que toda a tecnologia que nos rodeia está intimamente ligada a conceitos físicos essenciais para a compreensão dos mecanismos básicos de funcionamento de cada um destes sistemas. No entanto, muitos alunos apresentam grande dificuldade na compreensão dos fenômenos físicos. Entre as razões do insucesso na aprendizagem em Física são apontados os métodos de ensino desajustados das teorias de aprendizagem mais recentes e a falta de meios pedagógicos modernos

O uso de Tecnologias de Informação (TI) no ensino tem sido objeto de estudo em todas as áreas. Nos últimos anos os avanços no uso de TI foram extraordinários tendo em vista que os computadores se tornaram muito mais velozes e com maior capacidade de armazenamento e de representação somando-se a novas interfaces tais como luvas e capacetes de visualização que nos trouxeram a realidade virtual para sala de aula. Mais recentemente a técnica “Haptics”, criada em 2003 pela equipe de investigadores do Laboratório de Realidade Virtual da Universidade de Bufallo nos EUA, nos faz sentir sensações de tato dos objetos virtuais ampliando ainda mais as possibilidades e em particular em programas de Educação a Distância (EAD), para portadores de deficiências visuais. Todos estes avanços nos mostram que o computador pode ser uma ferramenta de valor inestimável para o aprendizado e pode servir como uma fonte de estímulo e criatividade inesgotável.

Apesar desta grande revolução tecnológica, as salas de aula da grande maioria das escolas brasileiras ainda estão bem distantes deste universo e o ensino de Física ainda continua desconectado deste mundo tão fascinante que nos cerca. Os recursos computacionais em geral se restringem ao uso de simulações, editoração de textos, planilhas de cálculo e internet para pesquisa de trabalhos escolares. A possibilidade de utilizar o computador como um instrumento de medida ainda é desconhecida pela grande maioria dos nossos professores, até porque em geral sistemas de aquisição automática de dados disponíveis no mercado, ainda apresentam um custo elevado para a realidade das escolas da rede pública brasileira.

De outro lado há um grande incentivo dos órgãos públicos a projetos que tenham como meta gerar conteúdos e recursos para potencializar o uso TICs para sala de aula na educação básica, particularmente aqueles destinados ao uso dos leptops educacionais.

Algumas iniciativas já bastante conhecidas como, o projeto Scratch do MIT2 e mais recentemente o software open-source Scratch for Arduino (S4A)3, desenvolvido por Marina Conde, Víctor Casado, Joan Güell, José García y Jordi Delgado com a ajuda do Grupo de Programación Smalltalk del Citilab e de colaboradores como Jorge Gómez, professor do Centro de Formação Padre Piquer de Madrid, mostram-se cada vez mais promissoras para o desenvolvimento da capacidade criativa dos nossos jovens e o aprendizado de Ciências, pois tais ferramentas têm possibilitado uma maior interação e comunicação entre o mundo virtual criado pelo estudante e o mundo físico dos sensores intermediado por diferentes interfaces e/ou micro-controladores, entre eles o Arduino.

No entanto, são poucas as iniciativas no Brasil que possibilitem divulgar e ampliar o uso destas ferramentas, tais como o trabalho desenvolvido pelo grupo de Laboratório de Estudos Cognitivos do Instituto de Psicologia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul coordenados pela profa. Dra. Lea Fagundes.

É necessário criar espaços na web que viabilize não apenas divulgar as ferramentas já existentes, mas criar um laboratório de sensoriamento remoto que possibilite aos estudantes e professores da rede em diferentes níveis de aprofundamento estudar conceitos importantes em Fisica e mais particularmente aqueles relacionados à Fisica Moderna e Contemporânea.

È importante salientar que também é meta deste projeto explorar recursos de RVA e acoplá-los ao uso de sensores numa perspectiva de maior interatividade homem - maquina na construção de conhecimento.


  1. O que é Weduino da PUC/SP

O Webduino é o nome dado ao projeto e desenvolvimento de um laboratório de sensoriamento remoto utilizando o Arduino. Ele está sendo desenvolvido como o apoio do CNPq pelo GoPEF (Grupo de Pesquisa em Ensino de Física da PUC/SP), na área de tecnologia educacional e em poucas palavras é um laboratório de controle e sensoriamento remoto baseado no uso da plataforma Arduino.




  1. Porque o Arduino

Dentre as inúmeras justificativas para sua utilização está na existência de um grande número de projetos disponíveis na web em diferentes idiomas e em diferentes áreas do conhecimento caracterizando esta plataforma, como uma tecnologia essencialmente interdisciplinar.

Este projeto pretende desenvolver diferentes recursos didáticos que possibilitem não apenas ensinar conceitos Físicos, mas também traga aos nossos jovens e professores um maior domínio da tecnologia.

Pretendemos neste projeto também utilizar plataformas (como Xively, Partcl®, entre outras API’s que possibilitam a coleta remota de dados, via serial, ethernet, entre outras), para compartilhar experimentos on-line possibilitando incorporar o Ensino de Ciências na já conhecida rede de sensores, agregando valores à experimentação didática.

Por outro lado, a implantação de laboratórios de sensoriamento e controle baseado em plataformas livres como as do Arduino, torna o weblab deste projeto muito próximo a realidade do usuário, potencializando os recursos disponíveis e amplamente compartilhados na web, desmistificando a experimentação como um todo. Em outras palavras, o usuário terá acesso à documentação do projeto, seus códigos fontes e poderá, se assim o desejar, montar o seu sistema, manipulá-lo e disponibilizá-lo em redes remotas, através de servidores remotos (com APPACHE, WebDeusto, entre outras).


  1. O que o Webduino traz de novo

Um dos aspectos inovadores deste projeto está associado ao desenvolvimento de um laboratório de controle e sensoriamento remoto, voltado ao ensino de Ciências, totalmente apoiado em uma plataforma open-source em hardware e software conhecida e amplamente difundida na internet - Arduino - numa perspectiva a médio prazo de aplicações concomitantes à Realidade Virtual Aumentada.

Tratando-se de uma plataforma Open Source o usuário terá acesso à documentação pertinente a cada experimento proposto, qual seja: códigos fontes, esquemas elétricos e vídeos ilustrativos mostrando cada etapa de construção e montagem, etc.

Pretendemos no Weblab da PUC/SP disponibilizar diferentes modos de interação com os experimentos que vão desde manipulação via interface gráfica até uma imersão em ambiente 3D através de RVA, o que por si lhe atribui uma característica inovadora.

Igualmente inovador será o desenvolvimento de recursos destinados ao ensino de ciências em nível fundamental em que se pretende criar aplicativos que possibilite manipular e interagir com experimentos remotos utilizando o Scratch for Arduino, que é um ambiente de programação visual integrado a interface Arduino e baseado do Scratch, já muito utilizado com fins educacionais. Estes aplicativos deverão possibilitar que usuários do Scratch for Arduino(S4A) de diferentes faixas etárias possam manipular os equipamentos através de mídias interativas inteiramente adaptadas a sua realidade o que, certamente contribuirá na ampliação dos recursos educacionais para do projeto UCA (Um Computador por Aluno) no Brasil.

Um WEBLAB, com tais características, além de inovador poderá contribuir para uma maior difusão e divulgação da ciência, despertando o interesse dos nossos jovens para uma área que tem sofrido uma forte queda em todo mundo e mais acentuadamente no nosso país.


  1. Atividades Desenvolvidas



6.a Projeto e Desenvolvimento de Experimentos

No 1º semestre de desenvolvimento foram selecionados os experimentos que serão disponibilizados no Weblab.

Foram três os experimentos definidos:


  • Espectrômetro Controlado Remotamente

  • LightAnalizator um projeto para aprendizagem e análise das propriedades da luz e sua percepção.

  • Experimentos controlados remotamente por comando de voz.

Para cada um destes experimentos tivemos alunos de TCC e de Iniciação Cientifica desenvolvendo projetos, todos sob minha orientação e supervisão.

No relatório anterior apresentamos em detalhes cada um destes experimentos. No entanto, farei um breve resumo de cada um deles para que o leitor possa ter mais clareza do projeto como um todo.

6.b.1 Espectrômetro Controlado Remotamente

Este experimento foi objeto de investigação e estudo do formando do curso de licenciatura de Física; Jose Neres de Almeida Junior. Deu origem ao seu trabalho de Conclusão de Curso aprovado com nota Dez.

O objetivo deste trabalho foi a construção de um espectrofotômetro didático a partir do Arduino. O equipamento foi construído a partir da reciclagem da estrutura de um scanner antigo que permite a varredura de um fotosensor (CF-TSL235R) em uma tela em que espectro da luz obtido por difração em um CD, é projetado. Neste trabalho de TCC apresentamos todo o equipamento desenvolvido, sua calibração e os códigos fontes utilizados de modo a permitir que o arranjo proposto possa ser reproduzido incentivando a abordagens de conteúdos de Física Moderna no Ensino Médio alicerçado no uso de novas tecnologias.

Espectrofotômetro é um dispositivo que permite a analise das componentes de frequência emitidas ou absorvidas por um dado componente. Para o espectrofotômetro construído utilizamos um CD para a decomposição espectral e como sensor de Luz o fotosensor CF-TLS235R que corresponde a um conversor de intensidade luminosa em frequência.

Este espectrofotômetro proposto é baseado na analise por feixe transmitido. Neste trabalho optou-se por utilizar um espectrofotômetro baseado no estudo do feixe transmitido, já que um dos objetivos do Weblab da PUC/SP está alicerçado na possibilidade de reciclagem de “lixo eletrônico”; neste caso a estrutura de um scanner antigo. Assim o espectro obtido por difração em um CD transparente (Cavalcante et all, 2005 e Catelli, 2010) é projetado em uma tela e um motor de passo permite a varredura do fotosensor (CF-TSL235R), associando a variação de luminosidade ao comprimento de onda da radiação. Tanto os sinais de tensão advindos do CF-TSL235R, quanto o controle do motor de passo são realizados através do Arduino.

O esquema do espectrofotômetro está representado na Fig.02



Fig. 02: Esquema para um espectrofotômetro com rede de difração por feixe transmitido. Neste tipo de análise, o CF-TSL235R é que se move. A camada refletora do CD pode ser facilmente retirada, utilizando fita adesiva (Cavalcante, Tavolaro, & Haag, 2005) (Catelli, 2010)




D
As fig.03 mostra a montagem para a calibração/obtenção do parâmetro da rede de difração usando uma ponteira laser e a fig.04 mostra a montagem com uma lâmpada fluorescente para analise espectral e a placa Arduino com todas as conexões necessárias para acionamento do sistema.



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