Projeto ESP32 com GPS, LoRa e sensores para rastreabilidade

Projeto ESP32 para rastreamento foi o ponto de partida deste desenvolvimento da ECK, que integrou localização, comunicação sem fio, sensores e operação por bateria em uma única placa.

O projeto integrou em uma única placa recursos de localização, comunicação sem fio, monitoramento de temperatura, detecção de movimento e operação por bateria.

A proposta era permitir que o equipamento registrasse eventos ocorridos durante o transporte, armazenamento ou movimentação de materiais sensíveis, fornecendo informações que pudessem posteriormente ser analisadas pelo sistema do cliente.

Arquitetura do projeto ESP32

O cliente já possuía conhecimento da aplicação e trabalhava com o ESP32, mas precisava do desenvolvimento do hardware necessário para transformar o conceito em um produto eletrônico integrado.

Entre as informações que poderiam ser registradas estavam:

• localização do equipamento;
• movimentações e impactos;
• temperatura do material monitorado;
• temperatura e umidade ambiente;
• permanência fora de uma determinada condição de armazenamento;
• eventos ocorridos durante transporte ou movimentação.

Essa arquitetura permite, por exemplo, acompanhar materiais que precisam permanecer dentro de determinadas condições de temperatura e registrar situações que possam comprometer seu armazenamento ou transporte.

Arquitetura eletrônica

O projeto utilizou o ESP32 como principal plataforma de processamento e comunicação.

O ESP32 também disponibiliza conectividade Wi-Fi e Bluetooth, permitindo a comunicação do dispositivo com outros equipamentos ou com a infraestrutura disponível no local.

Para localização foi utilizado o módulo Quectel L80, que integra receptor GPS e antena patch no próprio módulo, reduzindo a área necessária na placa.

O posicionamento do módulo GPS na placa exigiu atenção às fontes de interferência de radiofrequência presentes no próprio equipamento.

Comunicação LoRa / suporte a LoRaWAN

Para comunicação de longo alcance, o hardware foi projetado com um módulo RFM95, da HopeRF.

Esse transceptor utiliza modulação LoRa e pode ser empregado tanto em enlaces LoRa proprietários quanto em aplicações baseadas em LoRaWAN, dependendo da implementação de firmware e da infraestrutura utilizada pelo sistema.

Neste projeto, a ECK foi responsável pelo desenvolvimento do hardware. O firmware e a definição final do protocolo de comunicação ficaram sob responsabilidade do cliente, portanto não é possível afirmar se a aplicação final utilizou LoRa proprietário ou LoRaWAN.

Do ponto de vista do hardware, o projeto foi preparado para suportar esse tipo de comunicação de longo alcance e baixo consumo.

Detecção de movimento

O equipamento também incorporou um MPU6050, dispositivo que combina acelerômetro e giroscópio.

Com ele, o sistema pode detectar movimentações do equipamento e registrar eventos associados ao transporte ou manuseio do produto monitorado.

Essa informação pode ser combinada com os demais sensores para compor um histórico das condições às quais o equipamento ou material foi submetido.

Monitoramento de temperatura

Para medição externa de temperatura foi utilizado o DS18B20, sensor digital com interface 1-Wire.

O componente opera em uma ampla faixa de temperatura, de –55 °C a +125 °C, apresentando precisão especificada de ±0,5 °C entre –10 °C e +85 °C.

A utilização de uma interface digital facilita a instalação do sensor em cabo e reduz a quantidade de sinais necessários para sua comunicação com o processador.

Temperatura e umidade ambiente

Para medição local de temperatura e umidade foi utilizado o HTU21D, sensor digital com interface I²C.

O componente fornece medições de umidade relativa e temperatura em um encapsulamento compacto e apresenta baixo consumo de energia, característica importante em equipamentos alimentados por bateria.

Alimentação e gerenciamento da bateria

Como o equipamento precisava operar de forma móvel, uma parte importante do desenvolvimento foi o gerenciamento de energia.

Foi utilizado um circuito integrado carregador de bateria com recurso de power path.

Essa arquitetura permite alimentar o sistema diretamente pela fonte externa enquanto simultaneamente gerencia o carregamento da bateria.

Uma das vantagens é permitir que o equipamento continue funcionando mesmo quando a bateria está completamente descarregada, desde que exista alimentação externa disponível.

A interface USB foi utilizada tanto para programação do ESP32 quanto para alimentação e carregamento da bateria.

Principais desafios do desenvolvimento

O principal desafio foi integrar todos os subsistemas em uma placa de dimensões reduzidas.

Em um mesmo hardware estavam presentes:

• ESP32 com Wi-Fi e Bluetooth;
• receptor GPS com antena integrada;
• rádio LoRa;
• acelerômetro e giroscópio;
• sensores de temperatura e umidade;
• gerenciamento e carregamento de bateria;
• interface USB.

A disposição dos componentes precisou considerar simultaneamente requisitos elétricos, térmicos e de radiofrequência.

O posicionamento do módulo GPS, por exemplo, precisava reduzir a influência de fontes de interferência presentes na própria placa.

Da mesma forma, o layout das interfaces de RF e a localização dos sensores exigiram atenção especial para que cada subsistema pudesse operar adequadamente dentro do espaço disponível.

Resultado

O hardware foi desenvolvido, integrado e aprovado pelo cliente.

O projeto é um exemplo de como diferentes tecnologias podem ser combinadas em um único produto eletrônico: processamento embarcado, sensores, gerenciamento de energia, Wi-Fi, Bluetooth, GPS e comunicação LoRa.

Mais do que selecionar componentes, o desenvolvimento de um produto desse tipo exige que todos esses subsistemas funcionem em conjunto dentro das limitações de espaço, consumo, interferência e custo impostas pela aplicação.

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