Trabalho 1 da disciplina de Fundamentos de Sistemas Embarcados (2022/1)
Este trabalho tem por objetivo a criação de um sistema distribuído para o controle e monitoramento de um grupo de sinais de trânsito. O sistema deve ser desenvolvido para funcionar em um conjunto de placas Raspberry Pi com um servidor central responsável pelo controle e interface com o usuário e servidores distribuídos para o controle local e monitoramento dos sinais do cruzamento junto aos respectivos sensores que monitoram as vias. Dentre os dispositivos envolvidos estão o controle de temporizaçãio e acionamento dos sinais de trânsito, o acionmento de botões de passagens de pedestres, o monitoramento de sensores de passagem de carros bem como a velocidade da via e o avanço de sinal vermelho.
A Figura 1 mostra o layout dos cruzamentos.
Cada cruzamento possui:
- 4 Sinais de Trânsito (Em pares);
- 2 botões de acionamento para pedestres (pedir passagem);
- 2 Sensores de presença/passagem de carros (nas vias auxiliares, um em cada direção);
- 2 Sensores de velocidade/presença/passagem de carros (nas vias principais, um em cada direção);
- 1 Sinalização de áudio (buzzer) para sinalizar quando o sinal está mudando de estado (quando o cruzamento de pedestres irá ser fechado);
Cada cruzamento deverá ser controlado por um processo indivisual que esteja rodando em uma placa Raspberry Pi e cada controlador de cruzamento deve se comunicar via rede (TCP/IP) com o servidor central.
Na Figura 2 é possível ver a arquitetura do sistema.
Para simplificar a implementação e logística de testes do trabalho, a quantidade de cruzamentos será limitada a 4 sendo que haverão 2 placas Raspberry Pi, cada uma dedicada a rodar os serviços de controle de 2 cruzamentos e uma terceira placa Raspberry Pi para rodar o servidor Central.
- 01 Placa Raspberry Pi 4;
- 01 Placa Raspberry Pi 4;
- 12 Saídas (LEDs) representando os semáforos;
- 04 Entradas sendo os botões de pedestre;
- 04 Entradas sendo os sensores de presença/contagem de veículos das vias auxiliares (2 por cruzamento);
- 08 Entradas sendo os sensores de velocidade/presença/contagem (4 por cruzamento);
- Saída de áudio para efeito sonoro estado do sinal para deficientes auditivos;
- Os servidores distribuídos deverão se comunicar com o servidor central através do Protocolo TCP/IP (O formato das mensagens ficam à cargo do aluno. A sugestão é o uso do formato JSON);
- Cada instância do servidor distribuído (uma por cruzamento) deve rodar em um processo paralelo em portas distintas) em cada uma das duas placas Raspberry Pi;
- Cada entrada / saída está representada na Tabela abaixo. Cada servidor distribuído é responsável pelo controle de um cruzamento.
| Item | GPIO Cruzamento 1 | GPIO Cruzamento 2 | Direção |
|---|---|---|---|
| SEMAFORO_1_VERDE | 01 | 02 | Saída |
| SEMAFORO_1_AMARELO | 26 | 03 | Saída |
| SEMAFORO_1_VERMELHO | 21 | 11 | Saída |
| SEMAFORO_2_VERDE | 20 | 0 | Saída |
| SEMAFORO_2_AMARELO | 16 | 05 | Saída |
| SEMAFORO_2_VERMELHO | 12 | 06 | Saída |
| BOTAO_PEDESTRE_1 | 08 | 10 | Entrada |
| BOTAO_PEDESTRE_2 | 07 | 09 | Entrada |
| SENSOR_PASSAGEM_1 | 14 | 04 | Entrada |
| SENSOR_PASSAGEM_2 | 15 | 17 | Entrada |
| SENSOR_VELOCIDADE_1_A | 18 | 27 | Entrada |
| SENSOR_VELOCIDADE_1_B | 23 | 22 | Entrada |
| SENSOR_VELOCIDADE_2_A | 24 | 13 | Entrada |
| SENSOR_VELOCIDADE_2_B | 25 | 19 | Entrada |
Link do Dashboard - Cruzamento 1
Link do Dashboard - Cruzamento 2
Link do Dashboard - Cruzamento 3
Link do Dashboard - Cruzamento 4
Os sistema de controle possui os seguintes requisitos:
O código do Servidor Distribuído deve ser desenvolvido em Python, C ou C++;
Os servidores distribuídos tem as seguintes responsabilidades:
- Controlar os semáforos (temporização) - cruzamento com 4 sinais: os semáforos da via principal tem temporização diferente dos das vias auxiliares conforme e tabela abaixo.
| Estado | Via Principal (s) | Via Auxiliar (s) |
|---|---|---|
| Verde (mínimo) | 10 | 5 |
| Verde (máximo) | 20 | 10 |
| Amarelo | 03 | 03 |
| Vermelho (mínimo) | 5 | 10 |
| Vermelho (máximo) | 10 | 20 |
| Vermelho Total (Vemrlho em ambas as direções) | 01 | 01 |
- Controlar o acionamento dos botões de travessia de pedestres (2 por cruzamento): ao acionar o botão, o sinal em questão deverá cumprir seu tempo mínimo (Ex: permanecer verde pelo tempo mínimo antes de fechar. Caso o tempo mínimo já tenha passado, o sinal irá mudar de estado imediatamente após o botão ser pressionado);
- Controlar o acionamento dos sensores de passagem de carros nas vias auxiliares. Caso o sinal esteja fechado e um carro pare na via auxiliar, o comportamente será o mesmo que um pedestre pressionar o botões de travessia;
- Contar a passagem de carros em cada direção e sentido do cruzamento (4 valores sepadados) e enviar esta informação periodicamente (2 segundos) ao servidor central;
- Monitorar a velocidade da via através dos sensores de velocidade. A velocidade de cada carro deverá ser reportada para o servidor central periodicamente. Veídulos acima da velocidade permitida de 60 Km/h deverão ser reportados ao servidor central e contabilizados separadamente. Além disso, é necessário soar um alarme ao detectar um veículo acima da velocidade permitida;
- Efetuar o controle de avanço do sinal vermelho tanto através dos sensores de passagem de carros nas vias auxiliares quanto pelos sensores de velocidade na via principal. O número de veículos que avançam o sinal vermelho deverá ser reportado ao servidor central e o alarme deve ser disparado a cada detecção de infração;
- Cada instância dos servidores distribuídos a ser executada deve automaticamente se configurar para o controle do cruzamento 1 ou 2, seja por passagem de parâmetro de inicialização, arquivo de configuração ou outro mecanismo, ou seja, o programa que controla ambos os cruzamentos deverá ser um só.
O código do Servidor Central pode ser desenvolvido em Python, C ou C++. Em qualquer uma das linguagens devem haver instruções explicitas de como instalar e rodar. Para C/C++ basta o Makefile e incluir todas as dependências no próprio projeto.
O servidor central tem as seguintes responsabilidades:
- Manter conexão com os servidores distribuídos (TCP/IP);
- Prover uma interface que mantenham atualizadas as seguintes informações por cruzamento:
a. Fluxo de trânsito nas vias principais (Carros/min);
b. Velocidade média da via (km/h);
c. Número de infrações (Por tipo: avanço de sinal e velocidade acima da permitida); - Prover mecanismo na interface para:
a. Modo de emergência: liberar o fluxo de trânsito em uma via (os dois cruzamentos com a via principal em verde);
b. Modo noturno fazer o sinal amarelo piscar em todos os cruzamento;
- Os códigos em C/C++ devem possuir Makefile para compilação;
- Cada serviço (programa) deve poder ser iniciado independente dos demais e ficar aguardando o acionamento dos demais;
- Deverá haver um arquivo README no repositório descrevento o modo de instalação/execução e o modo de uso do programa.
- Botão de travessia de pedestre: devem tratar o debounce. No simulador, o sinal do botão é acionado por um intervalo de 300 a 400 ms. O sinal é normalmente em baixa e ativado em alta _|‾|_ .
- Sensor de Velocidade: estes sensores são implementados através do sensor de efeito hall. O sensor de velocidade é composto por dois sensores A e B onde o sensor A fica mais próximo do sinal de
trânsito e o sensor B mais afastado. A distância entre os dois sensores é de 1 metro. Na passagem de um carro, o sensor B é acionado primeiro e depois o sensor A. Neste caso, para calcular a velocidade do carro passando pelos sensores, é necessário calcular o intervalo de tempo entre o acionamentdo do sensor B e do sensor A (Seja, nos dois casos, o evento de subida ou de descida) em seguida, dividir a distância entre os sensores (1 metro) pelo intervalo de tempo medido.
Obs: No simulador, o intervalo de tempo entre a ativação do Sensor B e Sensor A é de no mínimo 30 ms e no máximo 300 ms. O sinal do sensor permanece em alta (3.3V) enquanto está inativo e em baixa quando ativado ‾‾‾|_|‾‾‾.
A avaliação será realizada seguindo os seguintes critérios:
Tabela 3 - Tabela de Avaliação| ITEM | DETALHE | VALOR |
|---|---|---|
| Servidor Central | ||
| Interface (Monitoramento) | Interface gráfica (via terminal, web, etc) apresentando os dados de Fluxo de trânsito, Velocidade média da via e número de infrações por cruzamento. | 1,0 |
| Interface (Comandos) | Mecanismo de acionar e desacionar o Modo de emergência e o Modo noturno. | 1,0 |
| Servidores Distribuídos | ||
| Controle dos Semáforos | Controle do mecanismo de temporização dos semáforos seguindo a temporização (Tabela 2). | 1,0 |
| Botões de travessia | Detecção dos botões de travessia de pedestres reduzindo o tempo de abertura do semáforo (incluindo o debounce). | 1,5 |
| Sensor de Passagem de Carros | Detecção dos sensores de passagem de carros (Vias laterais) detectando carros esperando no sinal vermelho, reduzindo o tempo de abertura do semáforo e detecção de infração por avanço de sinal vermelho (com alarme). | 1,0 |
| Sensor de Velocidade | Detecção da velocidade dos carros na via principal, reportando ao sersor central, quanto identificando, as infrações por velocidade e avanço de sinal vermelho (incluindo o alarme). | 1,5 |
| Geral | ||
| Comunicação TCP/IP | Correta implementação de comunicação entre os servidores usando o protocolo TCP/IP. | 1,5 |
| Qualidade do Código / Execução | Utilização de boas práticas como o uso de bons nomes, modularização e organização em geral, bom desempenho da aplicação sem muito uso da CPU. | 1,5 |
| Pontuação Extra | Qualidade e usabilidade acima da média. | 0,5 |
- gpiozero (https://gpiozero.readthedocs.io)
- RPi.GPIO (https://pypi.org/project/RPi.GPIO/)
A documentação da RPi.GPIO se encontra em https://sourceforge.net/p/raspberry-gpio-python/wiki/Examples/
- WiringPi (http://wiringpi.com/)
- BCM2835 (http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/)
- PiGPIO (http://abyz.me.uk/rpi/pigpio/index.html)
- sysfs (https://elinux.org/RPi_GPIO_Code_Samples)
Há um compilado de exemplos de acesso à GPIO em várias linguages de programação como C, C#, Ruby, Perl, Python, Java e Shell (https://elinux.org/RPi_GPIO_Code_Samples).