Módulo Cartão micro SD com NodeMCU - Construindo um datalogger

Módulo Cartão micro SD com NodeMCU - Construindo um datalogger

Neste tutorial, iremos desenvolver um datalogger bem simples, voltado ao armazenamento de informações de temperatura e umidade de um ambiente, coletados através de um sensor DHT11, usando um módulo leitor de cartão micro SD ou módulo cartão SD em conjunto com um NodeMCU.

Apesar de usarmos um NodeMCU, esse projeto pode ser facilmente adaptado para outras plataformas como ESP32 ou Arduino.

Você pode conhecer mais sobre o NodeMCU no tutorial: Conhecendo a Família ESP8266

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Armazenando informações

Ao desenvolver projetos voltados a coleta de informações, iremos precisar armazenar estas informações geradas para uma análise posterior. Se o volume de informações não for muito grande, podemos armazenar estes dados utilizando a própria memória não volátil que grande parte das plataformas já disponibilizam. Porém, dependendo do tempo que o nosso projeto esteja coletando dados, o volume de informação gerada, será tão grande, que não seremos capazes de armazenar todos estes dados apenas utilizando a memória nativa. Com isso, uma solução barata e eficiente, é o uso de cartões SD ou micro SD, que devido ao baixo custo e alta capacidade de armazenamento, permitem que o sistema armazene informações de forma estruturada e fácil.

Módulo micro SD

Para construir o nosso sistema de datalogger, iremos utilizar o módulo leitor cartão micro SD, que irá funcionar como ponte entre o microcontrolador e o cartão SD. A comunicação entre microcontrolador e módulo é feita através do protocolo SPI utilizando um total de 6 pinos, sendo dois para alimentação do circuito e os outros para comunicação.

Sensor de temperatura e umidade DHT11

O DHT11 é um sensor básico e de baixo custo que utiliza um termistor e um sensor capacitivo para medir a temperatura e a umidade do ar ambiente. Ele é bem simples de usar mas reque atenção com o tempo entre duas leituras consecutivas, uma vez que é necessário um intervalo de, no mínimo, 1 segundo entre uma leitura e outra.

Mãos à obra - Construindo a estrutura do nosso datalogger

Componentes utilizados

• 1x NodeMCU
• 1x Módulo micro sd
• 1x Cartão micro sd (Formatado em FAT 32)
• 1x Sensor temperatura e umidade DHT11
• Fios Jumper

Montando o projeto

Neste projeto, teremos dois módulos conectados ao nosso NodeMCU, com base nisso iremos utilizar a seguinte ordem de conexão dos fios:

A montagem final do sistema, deve estar semelhante a figura abaixo:

Veja só como ficou a montagem de todo o circuito:

Antes de ligar o seu circuito, verifique se todas as conexões foram feitas corretamente. Um curto circuito causado por uma ligação errada pode danificar todo o seu projeto.

Programando

- Bibliotecas

Neste tutorial iremos utilizar duas bibliotecas para construir o sistema. Uma dessas bibliotecas SD, já é nativa do arduino logo não precisamos realizar a sua instalação. Já a biblioteca utilizada pelo sensor DHT 11 será necessária a instalação, que pode ser feita da seguinte forma:

•  Na ide do arduino, navegamos até a opção Sketch, selecionamos a opção Incluir biblioteca e navegamos até a opção Gerenciar Bibliotecas como mostra a figura abaixo:
• Ao selecionar a opção Gerenciar bibliotecas, será aberto um painel como mostra a figura a seguir:

• Nesta janela, iremos buscar pela biblioteca DHT sensor library by Adafruit, e realizar seu download/instalação

-  Código utilizado

Agora que temos o nosso sistema montado, e as bibliotecas já instaladas, podemos partir para o código. Observem o código a seguir que utilizaremos como base para o nosso datalogger.

#include "DHT.h"          // Biblioteca Adafruit para sensor de temperatura DHT11
#include <SPI.h>          // Biblioteca de comunicação SPI Nativa
#include <SD.h>           // Biblioteca de comunicação com cartão SD Nativa


#define DHTPIN 0          // Define para o pino D3 do nodeMCU -> D3 
#define DHTTYPE DHT11     // DHT 11 que será utilizado para comunicação 
const int chipSelect = 4; // Constante que indica em qual pino está conectado o Chip Select do módulo de comunicação

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); // Objeto responsável pela comunicação microcontrolador/sensor
File dataFile;            // Objeto responsável por escrever/Ler do cartão SD

bool cartaoOk = true;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);     // Inicialização da porta de comunicação Serial
  dht.begin();            // Inicialização do objeto de comunicação com sensor

  // Se não for possível se comunicar com o cartão SD o código não deve prosseguir
  if (!SD.begin(chipSelect)) {
    Serial.println("Erro na leitura do arquivo não existe um cartão SD ou o módulo está conectado corretamente ?");
    cartaoOk = false;
    return;
  }
}

void loop()
{
  // Caso o cartão esteja ok é criado um arquivo no cartão SD com o nome datalog.csv em modo de escrita
  if (cartaoOk){
      dataFile = SD.open("datalog.csv", FILE_WRITE); 
      Serial.println("Cartão SD Inicializado para escrita :D ");
  }

  //Limpando Variáveis 
  String leitura = "";    // Limpo campo contendo string que será armazenada em arquivo CSV
  float temperatura = 0 ; // Limpo variável de temperatura a cada nova leitura
  float umidade = 0;      // Limpo variável de umidade a cada nova leitura

  //Leitura do sensor
  temperatura = dht.readTemperature(); // Função que realiza a leitura da temperatura do sensor dht11
  umidade = dht.readHumidity();        // Função que realiza a leitura da umidade do sensor dht11
 
  // Caso os valores lidos do sensor não sejam válidos executamos as seguintes linhas
  if (isnan(temperatura) || isnan(umidade)){ 
    Serial.println ("Falha na leitura do sensor");  // Informar ao usuário que houve uma falha na leitura do sensor
    delay(1500);    // Aguardamos 1,5 segundos
    return ;        // Retornamos a função para o seu ponto inicial
  }

  // Se tudo estiver ok, escrevemos os dados a serem armazenados em uma String
  leitura = String(millis()) + ";" + String(temperatura) + ";" + String(umidade) + ";"; 

  // Se o arquivo estiver realmente aberto para leitura executamos as seguintes linhas de código
  if (dataFile) {   
    Serial.println(leitura);    // Mostramos no monitor a linha que será escrita
    dataFile.println(leitura);  // Escrevemos no arquivos e pulamos uma linha
    dataFile.close();           // Fechamos o arquivo
  }

  delay(1500); // Aguardamos 1,5 segundos para executar o loop novamente
}

Colocando pra funcionar

Se tudo estiver montado corretamente, o nosso sistema já deve estar funcionando e coletando informações sobre a temperatura e umidade do ambiente. Uma coisa interessante, é que o arquivo construído está no formato CSV, então podemos abrir ele utilizando o excel, ou o software editor de planilhas de sua preferência.

Entendendo a Fundo

Software

- Incluindo bibliotecas necessárias

Inicialmente, adicionamos as bibliotecas que iremos utilizar para comunicação com o módulo DHT11 e o módulo micro SD. Todas elas são essenciais para que a comunicação com os dispositivos possa ser feita de forma transparente. Como a biblioteca SD e SPI já são nativas do arduino não é necessária a sua instalação. Porém a biblioteca do sensor dht deveremos instalar como mostrado anteriormente.

#include "DHT.h" // Biblioteca do sensor DHT 11 da Adafruit
#include <SPI.h> // Biblioteca de comunicação SPI Nativa
#include <SD.h> // Biblioteca de comunicação com cartão SD Nativa

Existem diversas implementações da biblioteca DHT, utilizei esta em especial por achar mais simples o seu funcionamento. Porém fica a critério do usuário :)

- Criando parâmetros de configuração e  objetos de comunicação

Inicialmente iremos criar dois parâmetros para configurar os pinos onde estão conectados o sensor DHT11 e o módulo micro sd. Neste caso o sensor dht11 está conectado ao pino 0 e o pino Chip Select está conectado ao pino 4.

#define DHTPIN 0 // Define para o pino D3 do nodeMCU -> D3
#define DHTTYPE DHT11 // DHT 11 que será utilizado para comunicação 
const int chipSelect = 4; // Constante que indica em qual pino está conectado o Chip Select do módulo de comunicação

Logo em seguida, iremos criar dois objetos pelos quais iremos nos comunicar com o módulo dht11 e o módulo micro SD. Também criamos uma variável do tipo bool, responsável por informar se a comunicação com o cartão SD está funcionando ou não.

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); // Objeto utilizado para comunicação entre sensor e microcontrolador
File dataFile;            // Objeto responsável por escrever/Ler do cartão SD
bool cartaoOk = true;

O objeto dht, tem como objetivo realizar a comunicação entre o microcontrolador e o sensor de temperatura/umidade. Ele recebe como parâmetros em seu método construtor, o pino com o qual está conectado ao microcontrolador e o tipo de sensor DHT que está sendo utilizado (neste caso o dht11).

- Função setup

A função setup, será utilizara para inicializarmos a comunicação com o cartão micro SD e a comunicação serial (caso você queira debugar o que está acontecendo no microcontrolador no momento). Com base nisso, este código executa o seguinte fluxograma

1. Inicializamos a comunicação serial na taxa de comunicação padrão
2. Inicializamos o objeto dht para comunicação microcontrolador/sensor
3. Tentamos inicializar a comunicação com o cartão sd
   1. Se estiver tudo ok, a comunicação é inicializada e a escrita pode começar
   2. Caso o cartão não esteja presente ou exista alguma conexão errada, o sistema irá escrever na serial que houve um erro na comunicação com o cartão SD e a variável cartaoOk  é marcada como falso

void setup()
{
  Serial.begin(9600);     // Inicialização da porta de comunicação Serial
  dht.begin();            // Inicialização do objeto de comunicação com sensor

  // Se não for possível se comunicar com o cartão SD o código não deve prosseguir
  if (!SD.begin(chipSelect)) {
    Serial.println("Erro na leitura do arquivo não existe um cartão SD ou o módulo está conectado corretamente ?");
    cartaoOk = false;
    return;
  }
}

- Condição inicial ( É possível escrever no arquivo ? )

Este trecho de código, será utilizado para identificar se é possível escrever no arquivo ou não. Caso seja possível iremos abrir o arquivo para escrita na linha 2 com o comando SD.open("datalog.csv", FILE_WRITE). Caso não seja possível realizar a escrita no arquivo o código irá pular esta condição

// Caso o cartão esteja ok é criado um arquivo no cartão SD com o nome datalog.csv em modo de escrita
if (cartaoOk){
      dataFile = SD.open("datalog.csv", FILE_WRITE); 
        Serial.println("Cartão SD Inicializado para escrita :D ");
  }

- Variáveis de armazenamento

A leitura dos dados é feita a cada intervalo de 1,5 segundos, e a cada leitura realizada precisamos limpar a leitura feita anteriormente, para isso dentro da função loop do código adicionamos o trecho de código que será responsável por limpar as variáveis a cada leitura realizada.

  //Limpando Variáveis 
  String leitura = "";
  float temperature = 0;
  float humidity = 0;

- Leitura da temperatura

Neste bloco de código, iremos realizar a leitura da temperatura utilizando o sensor, o processo é bem simples, realizamos a leitura utilizando a função, readTemperature(). Que irá nos retornar um valor válido, ou inválido caso ocorra algum problema na comunicação com o sensor

 temperatura = dht.readTemperature(); // Função que realiza a leitura da temperatura do sensor dht11

- Leitura da umidade

O processo de leitura da umidade será feito de forma semelhante ao que foi feito na leitura da temperatura. a única mudança será no método utilizado, que no caso será readHumidity();

  umidade = dht.readHumidity(); // Função que realiza a leitura da umidade do sensor dht11

- Validando a leitura dos dados

Já com os dados de temperatura e umidade lidos, iremos agora validar se estes dados são válidos ou não. Para isso, iremos utilizar o método isnan(), ou is not a number. Esta função, tem como objetivo verificar se o valor contido dentro de uma variável é realmente um número ou não. Como a função readTemperature() e readHumidity(), apenas retornam números válidos se a leitura for feita com sucesso, podemos considerar que a leitura será válida apenas quando as variáveis temperatura e umidade forem valores reais. Com base nisso, este trecho de código verifica se as variáveis lidas são realmente números válidos, caso não sejam todo o código dentro do if será executado.

  // Caso os valores lidos do sensor não sejam válidos executamos as seguintes linhas
  if (isnan(temperatura) || isnan(umidade)){ 
    Serial.println ("Falha na leitura do sensor");  // Informar ao usuário que houve uma falha na leitura do sensor
    delay(1500);    // Aguardamos 1,5 segundos
    return ;        // Retornamos a função para o seu ponto inicial
  }

- String para gravação

Após uma leitura ser feita com sucesso, iremos prosseguir para o processo de estruturação dos dados a serem armazenados no arquivo .csv, para isso iremos utilizar o seguinte comando:

// Se tudo estiver ok, escrevemos os dados a serem armazenados em uma String
  leitura = String(millis()) + ";" + String(temperatura) + ";" + String(umidade) + ";";

Com este comando, estamos basicamente criando uma String que irá armazenar todas as informações que queremos armazenar em nosso arquivo csv. O ";" que está sendo utilizado como separador será compreendido pela aplicação de tabelas utilizada como uma nova posição na tabela, ou seja estamos separando o tempo, a temperatura e a umidade em células diferentes.

- Gravando dados em arquivo

Por fim, mas não menos importante, devemos gravar os dados gerados em nosso cartão micro sd. Para isso iremos antes verificar se está tudo ok com o arquivo ( utilizando aquele flag que criamos anteriormente)

 // Se o arquivo estiver realmente aberto para leitura executamos as seguintes linhas de código
  if (dataFile) {   
    Serial.println(leitura);    // Mostramos no monitor a linha que será escrita
    dataFile.println(leitura);  // Escrevemos no arquivos e pulamos uma linha
    dataFile.close();           // Fechamos o arquivo
  }

Se estiver tudo ok, iremos gravar a nossa String criada utilizando o comando

dataFile.println(leitura);      // Escrevemos no arquivos e pulamos uma linha

e em seguida fechamos o arquivo com:

dataFile.close();               // Fechamos o arquivo

Por fim, aguardamos o nosso intervalo de 1,5 segundos para recomeçar todo o processo novamente, e para isso utilizando o comando

delay(1500);

Desafio

Neste tutorial, utilizamos o tempo de funcionamento do microcontrolador para contabilizar o tempo onde foi feita a leitura das variáveis de temperatura e umidade. Uma proposta que seria bem interessante e usual, seria utilizar um relógio de tempo real, ou até mesmo o protocolo NTP para obter o horário real da leitura. Como desafio, proponho a modificação deste código para que ao invés do tempo do microcontrolador ele grave com a data e hora real em que foi feita a leitura. Como base para este desafio, vocês podem utilizar os tutoriais já apresentados aqui no blog como:

• Protocolo de tempo NTP com ESP
• RTC DS3231 – Registrando data e hora com Arduino

Considerações finais

Este tutorial, teve como objetivo mostrar a estrutura de um datalogger bem simplificado, onde utilizamos sensores para obter dados do ambiente e um módulo para armazenar estes dados de forma transparente para o desenvolvedor. Espero que tenham gostado do conteúdo apresentado, sinta-se à vontade para nos dar sugestões, críticas ou elogios. Lembre-se de deixar suas dúvidas nos comentários abaixo.

by Danilo Almeida