1. Introdução

De acordo com (^{MADAKAM, RAMASWAMY & TRIPATHI, 2015}), a Internet das Coisas (IoT) é uma tecnologia que está revolucionando a computação e as telecomunicações. Esse termo se refere aos diversos dispositivos (coisas), desde microcomputadores, passando por smartphones e microcontroladores, até geladeiras, lâmpadas ou roupas, que podem ser utilizados para as mais diversas aplicações, interligando-se ou fornecendo serviços por meio da rede mundial de computadores (Internet).

Dentre as aplicações possíveis com uso de IoT estão identificação, automação, monitoramento e controle. Para isso, dispositivos como microcontroladores e sensores são empregados para realizar as tarefas que utilizam a Internet para se interligar ou fornecer respostas aos usuários.

Quando utiliza-se IoT em aplicações de monitoramento, como em (^{DEZOTTI et al., 2019}), (^{ZGANK, 2020}) e (^{MITEV et al., 2020}), que usam um módulo de microfone para captura de áudio, é desejável conhecer sua cobertura, ou seja, o alcance do dispositivo, a fim de realizar um levantamento do número de dispositivos necessários para monitorar determinada área e conhecer seu efetivo custo de implantação.

O objetivo deste trabalho é analisar o alcance de um sistema desenvolvido para monitoramento de lavoura de café, configurando-se como uma aplicação do tipo Smart Farm, que utiliza o paradigma IoT, com um microcontrolador integrado a sensores adicionais, sendo o principal deles o sensor de captura de áudio.

Este artigo está dividido da seguinte forma: à frente temos uma revisão da literatura, em seguida o capítulo “Metodologia” exprime os detalhes dos experimentos. No capítulo seguinte apresentam-se os resultados e, em seguida, as conclusões e trabalhos futuros.

2. Metodologia

Utilizando um microcontrolador ESP32 (^{OLIVEIRA, 2017}) foi desenvolvido um dispositivo, chamado INS (Figura 1), para monitoramento do sons emitidos pelas cigarras em lavouras de café, com intuito de realizar um monitoramento automatizado, contribuindo para a melhoria do processo, retirando a necessidade de uso de trabalho manual e melhorando sua qualidade (^{DEZOTTI et al., 2019}; ^{ESCOLA et al., 2020}a, ²⁰²⁰b).

Figura 1 Dispositivo INS 

O foco do presente trabalho está na mensuração do alcance do microfone, integrado ao INS, em relação a uma ou mais cigarras possivelmente presentes na lavoura e assim conhecer quantos dispositivos são necessários para obter o melhor rendimento e cobertura de uma determinada área, sítio, fazenda ou lavoura específica.

O dispositivo INS, a exemplo de grande parte dos projetos IoT, é composto por um conjunto de módulos de expansão, também chamados de shields ou sensores, de baixo custo, que permitem incorporar recursos a um projeto IoT, ex: sensor de temperatura, sensor de presença, relês etc. O módulo MAX9814 permite a captura de som para processamento interno do dispositivo.

Para realização dos testes, além do INS foram utilizados um laptop com processador Intel(R) Core(TM) i7-4800MQ CPU @ 2.70GHz, 32GB de memória RAM e disco rígido SSHD de 1TB em ambiente Linux; um smartphone (emissor) com intuito de executar um arquivo de áudio simulando o som da cigarras; e um smartphone (decibelímetro) executando um aplicativo simulando um decibelímetro. O arquivo com som de cigarras faz parte de um banco de dados de arquivos capturados em lavoura de café por um especialista pertencente ao grupo de pesquisa.

O dispositivo INS captura, de forma intermitente, 1200 milissegundos de áudio, armazenando os dados em um vetor, em seguida os dados são processados, as 25 energias resultantes de sub-bandas de frequência do sinal são apresentadas via saída padrão serial e capturadas pelo laptop. A Figura 2 ilustra o processo realizado durante os testes, onde D é a distância entre o emissor e o INS. São capturados 13 sinais em cada teste, variando as distâncias D entre 2 e 20 metros, conforme exposto adiante.

Figura 2 Esquema utilizado nos testes 

De posse dos 13 sinais resultantes de cada teste, compostos de 25 energias cada, os sinais são submetidos a uma Máquina de Vetor de Suporte (SVM), previamente treinada, a fim de verificar sua acurácia. Além desses, as intensidades mínima, média e máxima do sinal, em decibéis, também são registradas.

3. Resultados e discussão

Conforme descrito na metodologia, para a realização dos testes foram utilizados quatro dispositivos de hardware: dois smartphones (emissor e decibelímetro) e um laptop, além do dispositivo INS. Esse conjunto de dispositivos permitiu a organização de um aparato tecnológico com intuito de simular o ambiente da lavoura, a fim de testar devidamente a aplicabilidade do sistema.

O smartphone emissor foi posicionado à uma distância D do INS, executando um arquivo de áudio WAV capturado previamente em lavoura de café por um membro especialista do grupo de pesquisa. O arquivo de áudio foi configurado para ser executado indefinidamente a fim de manter constante o som da cigarras emitido pelo equipamento.

O smartphone decibelímetro foi posicionado ao lado do INS para capturar a intensidade do sinal recebido durante cada teste. Os níveis de potência do sinal são importante parâmetro para analisar a efetiva intensidade de recepção do sinal pelo dispositivo INS, assim, esses dados foram incluídos na tabela de resultados apresentada adiante.

O laptop foi responsável por apresentar os resultados das capturas realizadas pelo dispositivo INS durante os testes, permitindo ao pesquisador monitorar o progresso das análises em tempo real. Ao final de cada teste, os resultados foram registrados em arquivo texto que permitiu posterior análise dos resultados, comparando-os entre cada conjunto de testes em diferentes distâncias.

No início de cada teste é aferida a distância entre o emissor e o INS com o auxílio de uma trena, em seguida são ativados o decibelímetro, o emissor e, finalmente, o dispositivo INS é ativado para dar-se início ao teste. Ao apresentar 13 resultados o teste é manualmente finalizado.

Cada um dos 13 sinais é armazenado no algoritmo em um vetor de X posições, que é processado através da Transformada Discreta Wavelet Packet (DWTP). Cada um dos 13 sinais de cada teste dispendeu, em média, 56522 milissegundos para ser capturado, processado e apresentado na tela.

Na Tabela 1 apresentam-se os resultados obtidos nos experimentos. Foram realizados 5 testes, sendo o primeiro sem emissão de sons de cigarras e os demais com som de cigarras, sendo o emissor foi posicionado a uma distância variando de 2m a 20m. A fim de analisar a intensidade do sinal recebido pelo dispositivo INS em cada teste, foram incluídas na mesma tabela o valor da intensidade mínima, média e máxima, capturados pelo dispositivo decibelímetro. A acurácia resultante é apresentada de acordo com o referido teste.

Tabela 1 Bateria de testes com sons de cigarras. 

Conforme se pode verificar na Tabela 1, no teste sem utilização do emissor, ou seja, sem incidência de cigarras, todos os 13 sinais foram considerados “ruído” pela SVM, perfazendo um total de 100% de acerto. Ressalta-se aqui a importância do resultado neste primeiro teste, que não apresentou falsos positivos, que poderiam debilitar o sistema e até mesmo inviabilizá-lo, visto que o monitoramento da lavoura tem como um dos maiores pilares a real deteção de um número mínimo de indivíduos presentes para uma rápida tomada de decisões para aplicação de defensivos ou outro tipo de manejo por parte do agricultor.

Na Tabela 2 tem-se a matriz de confusão do segundo e terceiro testes, onde o emissor foi posicionado à uma distância de 2m e de 5m do INS. Dos 13 sinais testados, 11 foram corretamente classificados e dois sinais foram classificados como “ruído” incorretamente, resultando em uma acurácia de 84.6% em ambos os casos. Ressaltamos aqui a importância desse resultado, que se mostra promissor, mesmo com a incidência de falsos negativos (2 neste caso - 15.4%), visto que, a importância do sistema está, inicialmente, na deteção dos indivíduos na lavoura. Assim sendo, os testes de 2m e 5m mostraram que o sistema pode falhar mas que ainda é eficiente para o problema a que se propõe.

Tabela 2 Matriz de confusão dos testes com distância de 2m e 5m 

Nos testes com distância de 10m e de 20m, além do teste sem cigarras como visto anteriormente, todos os sinais foram corretamente classificados, apresentando 100% de acurácia em cada um dos referidos testes, corroborando a hipótese de que o sistema pode se mostrando interessante recurso para monitoramento, considerando a distância empregada.

4. Conclusões

O presente trabalho conclui a primeira etapa de estudos relacionados à aferição da distância e alcance do dispositivo INS. Os testes, realizados em laboratório, não permitiram distâncias maiores que 20m devido às limitações de espaço físico, entretanto é desejável futuramente executar os testes em distâncias maiores em ambiente de lavoura de café a fim de analisar os resultados com outras variáveis como o vento.

Os testes sem cigarras foram importantes para verificar a existência de falsos positivos. O aproveitamento máximo apresentado nessa etapa mostrou que a SVM encontra-se satisfatoriamente treinada para o objetivo proposto no projeto, que é o monitoramento do inseto-praga cigarra em lavouras de café.

Em trabalhos futuros, deseja-se realizar as análises de desempenho da bateria e da placa solar, que fornecem alimentação ao dispositivo quando implantados em lavoura de café. Além desses, os testes com distâncias maiores em lavoura de café, a fim de obter resultados mais próximos aos reais em relação à implantação de um conjunto de INS em ambiente de produção, conhecendo os custos necessários para monitorar determinada área da plantação e realizar os demais testes para validação do sistema, como alcance de comunicação de dados entre os nós.