O laboratório

Os sistemas embarcados estão presentes em equipamentos industriais, dispositivos de monitoramento e aplicações de Internet das Coisas. Em muitos desses sistemas, o consumo de energia influencia a autonomia, a necessidade de manutenção e a quantidade de recursos utilizada durante sua vida útil. Por isso, a eficiência energética deve ser considerada desde a escolha dos componentes até o desenvolvimento do programa e a avaliação do equipamento.

O Laboratório de Ensino e Experimentação em Sistemas Embarcados Sustentáveis, implantado no Laboratório de Transformação Digital da Estácio, Unidade Recreio, foi concebido para apoiar o ensino, a pesquisa aplicada e a experimentação de soluções embarcadas que utilizem energia e recursos de forma mais eficiente. As bancadas permitem montar circuitos, desenvolver programas, observar sinais e comparar alternativas de implementação.

A plataforma de prototipagem baseada em ESP32 permite realizar dois experimentos iniciais. O primeiro compara a operação contínua e o deep sleep durante a medição de temperatura e umidade. O segundo utiliza o sensor de presença PIR para comparar consulta periódica e resposta a evento com light sleep. Os roteiros devem ser validados na bancada com os módulos efetivamente disponíveis.

O estudante deve seguir os procedimentos na ordem indicada, sob orientação do professor, e registrar a versão da placa, dos programas, as condições de montagem e as medidas. As perguntas propostas ao final de cada prática apoiam a discussão dos resultados.

Plataforma e preparação

Equipamentos adquiridos para o laboratório

A relação de equipamentos adquiridos no projeto para o laboratório está na tabela abaixo. Outros recursos do LTD podem complementar essa infraestrutura. As fotografias mostram alguns desses equipamentos na bancada.

Componentes da plataforma

A plataforma ilustrada nesta página reúne uma placa ESP32 DevKit e conexões para sensores, atuadores, display e botões. A tabela a seguir descreve os componentes.

Ligações previstas no esquemático

A imagem a seguir mostra o circuito esquemático da placa. Os nomes GPIO se referem aos sinais do ESP32 clássico. A tabela a seguir indica as ligações principais dos componentes na placa.

As ampliações seguintes mostram detalhes dos conectores e da alimentação.

Preparação do ambiente de programação

1. Instale a Arduino IDE 2. Em Preferências, acrescente a URL https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json ao campo de URLs adicionais do gerenciador de placas.

2. No Gerenciador de Placas instale esp32 por Espressif Systems e selecione a opção compatível com a placa real; ESP32 Dev Module é uma opção comum para ESP32 DevKit V1 clássico. Escolha a porta serial.

3. No Gerenciador de Bibliotecas instale DHT sensor library por Adafruit e Adafruit Unified Sensor. Os exemplos OLED e BMP180 são sugeridos como extensão e exigem bibliotecas correspondentes.

4. Conecte o USB de dados, grave um exemplo simples e abra o Monitor Serial em 115200 bit/s. Se a gravação falhar, confira porta, cabo, driver e o procedimento BOOT/EN da placa.

5. Copie cada programa desta página para um projeto separado. Registre as versões da IDE, do pacote de placas e da biblioteca DHT.

Tensão, corrente e energia

O 2C53T dispõe de entradas de multímetro separadas das entradas do osciloscópio. O manual descreve as entradas COM, V, mA e 10A; em sua tabela de corrente contínua aparecem as faixas 19,999 mA, 199,99 mA, 1,9999 A e 9,999 A, com exatidão indicada de ±(1,2% da leitura + 3 dígitos).

Na faixa de 19,999 mA, o último dígito corresponde a 0,001 mA, ou 1 µA. Isso é resolução de indicação, não garantia de exatidão de 1 µA. Além da exatidão, devem ser considerados o erro de zero, a queda de tensão introduzida pelo instrumento e a corrente que varia durante os ciclos.

Medida de tensão contínua

1. Com o instrumento na função multímetro, conecte a ponta preta em COM e a vermelha em V. Selecione tensão contínua DC e uma faixa adequada.

2. Com a alimentação da plataforma estabelecida pelo professor, meça em paralelo: ponta preta no GND e ponta vermelha no ponto de tensão a verificar. Para conferir a alimentação da placa, meça a tensão entre VCC de J1 e GND; para conferir o regulador, meça entre 3,3 V e GND.

3. Registre a tensão e a faixa. Não deixe a ponta vermelha em mA ou 10A ao medir tensão em paralelo.

Medida de corrente contínua

1. Desligue a fonte e desconecte o USB. Abra o condutor positivo que vai da fonte ao VCC de J1. O GND da fonte continua ligado ao GND da plataforma.

2. No modo multímetro, escolha corrente contínua DC. Conecte a ponta preta a COM e, se a corrente ou os picos forem desconhecidos, a vermelha a 10A. Conecte a ponta vermelha ao positivo da fonte e a ponta preta ao VCC de J1: o instrumento fica em série com a placa.

3. Ligue a fonte e verifique se a placa funciona e se a indicação está dentro do limite. Registre a leitura e observe se ela se mantém estável. Para uma faixa menor, desligue antes de mudar a ponta para mA e selecionar a função correspondente. Só use a entrada mA quando a corrente e os picos estiverem dentro dos limites indicados no equipamento.

4. Registre a corrente, a faixa, a tensão de alimentação, os módulos instalados e o estado do programa. Se a leitura oscilar rapidamente, registre essa condição e não a apresente como média energética sem validação.

5. Ao terminar, desligue a fonte, retire o instrumento do circuito e devolva a ponta vermelha à entrada de tensão para a próxima medida. Nunca conecte o multímetro em modo de corrente diretamente entre os terminais da fonte.

Neste arranjo, a corrente medida na entrada J1 inclui os componentes alimentados pela rede VCC/3,3 V, como regulador, LEDs e módulos instalados. Não inclui corrente fornecida por um segundo caminho de alimentação; por isso, desligue e descarte tais caminhos. O ESP32 DevKit e o conjunto da plataforma não devem ser confundidos com o consumo isolado do chip.

Potência e energia

Em um estado de corrente aproximadamente constante, a potência elétrica na entrada é P ≈ V × I. Em volts e ampères, o resultado é dado em watts. Para um intervalo T, se a potência média for conhecida, E = P̄ × T, em joules. Caso se disponha de registros sincronizados de tensão e corrente, E ≈ Σ(Vᵢ × Iᵢ × Δtᵢ).

A tela do multímetro permite observar estados relativamente estáveis, mas não se deve presumir que a indicação, nem uma função AVG não caracterizada, integre corretamente picos curtos. Para energia por ciclo, use um registrador ou método de aquisição cuja taxa, faixa e integração tenham sido validadas. O 2C53T também pode observar a tensão de um shunt no modo osciloscópio, mas o professor deve projetar e validar o shunt, a queda de tensão, as ligações de terra e a integração antes de apresentar esse valor como resultado.

Para comparar estados estáveis, calcule P_contínuo e P_repouso com a tensão e corrente de cada estado e, se cabível, a redução relativa (P_contínuo − P_repouso)/P_contínuo × 100%. Essa redução não representa, por si só, a redução da energia por leitura: o tempo ativo e os picos também importam.

Medição periódica e baixo consumo

Objetivo e materiais

Comparar o funcionamento contínuo com o deep sleep em uma aplicação que mede temperatura e umidade com DHT11. A prática permite verificar a leitura do sensor, observar os ciclos e comparar correntes em estados de operação, considerando o consumo de toda a plataforma.

Materiais: plataforma ESP32; sensor DHT11 compatível com o conector ou fios adaptadores; computador e USB de dados para programação; fonte de bancada; 2C53T e pontas; cabos adequados. O professor deve validar o caminho de alimentação da plataforma antes do ensaio. OLED e BMP180 não são necessários ao programa principal.

Montagem

1. Com a fonte desligada e sem USB, identifique os pinos do DHT11 e as posições de J3: 1 = 3,3 V, 2 = GPIO15/dados, 3 = não conectado e 4 = GND. Não suponha que um módulo de três pinos tenha a mesma sequência.

2. Conecte VCC, DATA e GND às respectivas redes de J3, usando adaptadores se necessário. O pull-up R5 de 4,7 kΩ já aparece no esquemático; confirme sua presença na placa.

3. Confira a ligação com o professor. Para programação e teste funcional, conecte somente o USB. A alimentação pelo conector J1 fica desconectada nesta etapa.

A biblioteca Adafruit DHT mantém um intervalo mínimo interno de cerca de 2 s entre aquisições e pode retornar o último valor antes desse prazo. Por isso, nesta versão usa-se espera de 3 s após cada leitura, e não se afirma que cada chamada produz uma amostra nova a 1 Hz.

Teste funcional e comparação

1. Copie o código do experimento com DHT11 na seção expansível Código do experimento, ao final deste roteiro. Em sua primeira linha de configuração, escolha DEEP = false e RELATORIO = true. Grave e abra o Monitor Serial em 115200 bit/s. Verifique se as leituras são plausíveis; se aparecer “Falha DHT11”, confira o conector e o sensor.

2. Selecione DEEP = true e grave novamente. Observe que o ESP32 reinicia após cada despertar; o tempo entre leituras inclui inicialização, leitura e 3 s de sono. Compare os intervalos reais de ambos os modos.

3. Para medição de corrente, ajuste RELATORIO = false. Escolha inicialmente ESPERA_MS = 20000 para manter o repouso observável na tela; grave a versão contínua, retire o USB e monte o multímetro em série como nas orientações de medida de corrente. Meça a tensão em procedimento separado.

4. Após estabilização, observe e registre a corrente da plataforma no período entre leituras e o comportamento na leitura. Faça três observações em momentos comparáveis.

5. Grave a versão deep sleep, mantendo a mesma espera, os módulos instalados e a alimentação. Retire o USB e repita a medição. Durante o sono, registre o valor quando a indicação estiver estável e anote qualquer oscilação.

6. Para estudar uma aplicação mais rápida, volte a ESPERA_MS = 3000 e observe os sinais e a indicação. O intervalo real é a espera mais o tempo de execução e, no deep sleep, a reinicialização. Ajuste somente após medir esse intervalo e respeitar o mínimo entre leituras do sensor e da biblioteca.

7. Calcule a potência dos estados observados. Para energia por leitura ou energia total, utilize registro e integração validados. Não calcule energia total apenas multiplicando a corrente de repouso pelo tempo inteiro.

O programa gera um pulso no GPIO26 no início de cada leitura. Esse sinal está disponível no conector IDC identificado como ADC/D26. Em deep sleep o pino pode mudar de estado durante reset: confirme a forma de onda e use um pull-down externo adequado se necessário. Observe o GPIO26 com o osciloscópio em uma etapa separada da medição com o único 2C53T.

Registro

Registre a faixa, o ponto de medição, os módulos instalados e a potência nos dois estados. Informe a redução relativa calculada, as incertezas e as observações.

Questões

• Por que a corrente da plataforma em deep sleep pode ser maior que a corrente informada para o chip ESP32 isolado? Considere reguladores, LEDs e sensores.

• Qual é a diferença entre reduzir a corrente em repouso e reduzir a energia total de um ciclo?

• Como a espera de 3 s e a reinicialização influenciam o intervalo real entre medições?

• A presença de display, alimentação de rede ou transmissão sem fio alteraria a comparação? Como essa hipótese poderia ser testada?

#include <Arduino.h>
#include <DHT.h>
#include <esp_sleep.h>
 
const bool DEEP = false;       // true para deep sleep
const bool RELATORIO = true;  // false na medição
const unsigned long ESPERA_MS = 3000; // 20000 para observar
const int DHT_PIN = 15;        // D15 no esquemático
const int MARCADOR = 26;       // conferir acesso no IDC
DHT dht(DHT_PIN, DHT11);
 
void setup() {
  pinMode(MARCADOR, OUTPUT);
  digitalWrite(MARCADOR, LOW);
  if (RELATORIO) Serial.begin(115200);
  dht.begin();
  // Na energização inicial, aguarda o sensor estabilizar.
  // Após deep sleep, o sensor permanece alimentado.
  if (esp_sleep_get_wakeup_cause() != ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER)
    delay(1500);
}
 
void loop() {
  digitalWrite(MARCADOR, HIGH);
  float temperatura = dht.readTemperature();
  float umidade = dht.readHumidity();
  digitalWrite(MARCADOR, LOW);
 
  if (RELATORIO) {
    if (isnan(temperatura) || isnan(umidade)) {
      Serial.println("Falha DHT11");
    } else {
      Serial.printf("T=%.1f C; UR=%.1f %%\n",
                    temperatura, umidade);
    }
    Serial.flush();
  }
  if (DEEP) {
    esp_sleep_enable_timer_wakeup(
      (uint64_t)ESPERA_MS * 1000ULL);
    esp_deep_sleep_start();
  } else {
    delay(ESPERA_MS);
  }
}

Presença e resposta a eventos

Objetivo e materiais

Comparar a consulta periódica do sinal de presença com a resposta por evento no GPIO32, incluindo light sleep entre eventos. Em ambos os modos, o PIR permanece alimentado e o programa acende o LED da plataforma quando detecta uma ativação. O indicador de diagnóstico GPIO26 permite observar o início do tratamento.

O PIR gera uma saída digital a partir do processamento do próprio módulo; o programa disponível não executa limiar adaptativo nem DMA. Essas técnicas podem ser exploradas em trabalhos posteriores com sensores e hardware adequados.

Materiais: plataforma ESP32, módulo PIR compatível, fonte, 2C53T e computador para gravação. Antes de conectar o PIR, confirme alimentação, níveis lógicos, pinagem e o tempo de estabilização do modelo efetivo.

Montagem e verificação

1. Com a alimentação desligada, identifique no esquemático VCC do PIR = 3,3 V, OUT = GPIO32 e GND. Confira se a placa e o módulo físico possuem essa pinagem e se o módulo opera corretamente a 3,3 V. Caso contrário, o professor deverá propor adaptação adequada antes do experimento.

2. Confirme que o LED D2 ligado ao GPIO23 e R3 está instalado. O programa também usa GPIO26 como marcador para o osciloscópio.

3. Grave o código do experimento com PIR com EVENTO_SLEEP = false e RELATORIO = true. Alimente apenas por USB na verificação funcional. Aguarde a estabilização indicada pelo fabricante do PIR; podem ser necessários dezenas de segundos ou mais.

4. Observe o LED e o Monitor Serial. Mantenha o ambiente sem movimento e, em seguida, movimente-se diante do PIR. A saída pode permanecer ativa por vários segundos, conforme o modelo e seus ajustes.

5. Grave com EVENTO_SLEEP = true e repita. Nesse modo, o GPIO32 em nível alto pode despertar o ESP32 do light sleep; o programa também instala interrupção de borda. Após uma detecção ele aguarda o sinal retornar ao nível baixo antes de se rearmar.

Medição de tempo e consumo

1. Para tempo de resposta, conecte CH1 ao sinal PIR/GPIO32 e CH2 ao marcador GPIO26, com as referências de ambas as pontas no GND da plataforma. Configure os canais para a mesma atenuação das pontas, acoplamento DC e disparo na borda de subida de CH1.

2. Meça com os cursores o intervalo entre a subida de OUT do PIR e a subida do marcador. Faça pelo menos dez eventos em cada modo, respeitando o rearme do PIR. A medida se refere à resposta elétrica do ESP32 ao sinal do módulo; não inclui o tempo desde o início físico do movimento.

3. Para corrente, use RELATORIO = false, retire o USB e siga as orientações de medida de corrente, mantendo o mesmo PIR e a mesma alimentação. Em períodos sem movimento, compare a corrente de repouso nos dois modos.

4. Repita com uma sequência semelhante de movimentos e registre quantas detecções ocorreram. Não suponha que uma indicação instável do multímetro seja corrente média integrada. Faça a medição de latência e corrente em etapas separadas quando houver apenas um instrumento.

O modo periódico consulta a entrada aproximadamente a cada 50 ms; o modo por evento habilita interrupção e despertar por nível. A latência depende da fase da consulta, do tempo de despertar e da carga do programa. Se o PIR ficar em nível alto, o ESP32 permanece acordado até o rearme; falsos disparos, tempo de retenção e consumo do PIR afetam o resultado.

Registro e análise

• Qual modo apresentou menor corrente no repouso e qual apresentou menor latência elétrica?

• O sensor permaneceu ligado durante o sono? Como isso influencia o consumo total?

• O tempo em que o PIR mantém a saída alta interfere no número de eventos detectados?

• O que deve ser alterado para avaliar energia por evento com confiabilidade?

#include <Arduino.h>
#include <esp_sleep.h>
#include <driver/gpio.h>
 
const bool EVENTO_SLEEP = false;
const bool RELATORIO = true; // false na medição
const int PIR = 32, LED_PLACA = 23, MARCADOR = 26;
volatile bool sinalizou = false;
unsigned long eventos = 0;
 
void IRAM_ATTR aoDetectar() { sinalizou = true; }
 
void setup() {
  pinMode(PIR, INPUT);
  pinMode(LED_PLACA, OUTPUT);
  pinMode(MARCADOR, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_PLACA, LOW);
  digitalWrite(MARCADOR, LOW);
  if (RELATORIO) Serial.begin(115200);
 
  if (EVENTO_SLEEP) {
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIR),
                    aoDetectar, RISING);
    gpio_wakeup_enable(GPIO_NUM_32,
                       GPIO_INTR_HIGH_LEVEL);
    esp_sleep_enable_gpio_wakeup();
  }
}
 
void loop() {
  bool ocorreu = false;
  if (EVENTO_SLEEP) {
    noInterrupts();
    ocorreu = sinalizou;
    sinalizou = false;
    interrupts();
  }
  // Em ambos os modos, também verifica o nível do PIR.
  if (digitalRead(PIR) == HIGH) ocorreu = true;
 
  if (ocorreu) {
    digitalWrite(MARCADOR, HIGH);
    digitalWrite(LED_PLACA, HIGH);
    eventos++;
    if (RELATORIO) {
      Serial.printf("Evento %lu\n", eventos);
      Serial.flush();
    }
    delay(25); // largura mínima visível do marcador
    digitalWrite(MARCADOR, LOW);
    // Aguarda o fim do sinal antes de aceitar outro evento.
    while (digitalRead(PIR) == HIGH) delay(20);
    digitalWrite(LED_PLACA, LOW);
    noInterrupts();
    sinalizou = false;
    interrupts();
    delay(50); // pequeno intervalo de rearme
  } else if (EVENTO_SLEEP) {
    // O despertar por GPIO é sensível a nível alto.
    esp_light_sleep_start();
  } else {
    delay(50); // consulta periódica aproximada
  }}

Atividades e relatório

Como extensões, o professor pode propor a leitura do BMP180 no mesmo barramento I²C, o uso do OLED para apresentar temperatura e pressão, ou o estudo da resposta do TCRT5000 a diferentes superfícies. Para este último, pode-se desenvolver um limiar de decisão adaptativo a partir de medições de referência e investigar falsos disparos. O uso do HC-SR04 depende da verificação de alimentação e adaptação do ECHO pelo professor.

No relatório, inclua objetivo, equipe, data, versão da plataforma e dos programas, esquema ou fotografia da montagem, instrumentos e faixas, tensões e correntes medidas, latências, cálculos, limitações, respostas às questões e conclusão. Diferencie resultados efetivamente medidos de hipóteses e estimativas.

Referências técnicas

FNIRSI. 2C53T User Manual, seções 3.8 a 3.11: modo multímetro, terminais e parâmetros. https://device.report/m/d2e9dcb8d0f35f891bdbb155c878edc1597828fefb3e7a87d8abef9d679add9d

FNIRSI. 2C53T product page. https://www.fnirsi.com/products/2c53t

ESPRESSIF. Installing Arduino ESP32. https://docs.espressif.com/projects/arduino-esp32/en/latest/installing.html

ESPRESSIF. Sleep Modes, ESP32. https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/esp32/api-reference/system/sleep_modes.html

ADAFRUIT. DHT sensor library. https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

ADAFRUIT. DHT11 Humidity and Temperature Sensor. https://www.adafruit.com/product/386

Fontes consultadas em 27 out. 2026. Verifique a versão do manual e os limites efetivamente indicados no instrumento adquirido.