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Portão inteligente com detecção de presença e controle MQTT via smartphone. Raspberry Pi Pico W + HC-SR04

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SmartGate: Controle Inteligente de Acesso via MQTT

O SmartGate MQTT é um sistema embarcado de controle de acesso inteligente desenvolvido para a plataforma BitDogLab com o microcontrolador Raspberry Pi Pico W. O sistema detecta aproximação de pessoas ou veículos usando um sensor ultrassônico HC-SR04 e permite monitoramento e controle remoto através do protocolo MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). O projeto integra múltiplos periféricos para fornecer feedback visual e sonoro sobre o estado atual do sistema, criando uma solução completa de automação residencial e IoT.

Vídeo de Demonstração

Assista à demonstração do SmartGate MQTT

Funcionalidades Principais

  • Detecção de Presença em Tempo Real: Utiliza sensor ultrassônico HC-SR04 para detectar aproximação de pessoas ou veículos com distância programável (≤ 30 cm).
  • Comunicação MQTT: Protocolo leve e escalável ideal para aplicações IoT, permitindo comunicação bidirecional em tempo real.
  • Monitoramento Remoto via Smartphone: Interface através do aplicativo IoT MQTT Panel para visualização de dados e controle do sistema.
  • Sistema de Notificação Multi-sensorial:
    • Indicações visuais através de LED RGB e matriz de LEDs 5x5.
    • Alertas sonoros distintos para diferentes situações via buzzer com PWM.
    • Informações detalhadas e iconografia no display OLED.
  • Operação baseada em Máquina de Estados:
    • Modo Esperando: Estado padrão quando não há presença detectada.
    • Presença Detectada: Acionado quando alguém se aproxima do portão.
    • Portão Aberto: Estado ativado após comando remoto via MQTT.
  • Broker MQTT Local: Executado em dispositivos locais como smartphone ou computador usando Mosquitto.

Tecnologias Utilizadas

  • Linguagem de Programação: C
  • Microcontrolador: Raspberry Pi Pico W (RP2040 + CYW43439)
  • Protocolo de Comunicação: MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)
  • Conectividade: Wi-Fi embutido (modo Station)
  • Broker MQTT: Mosquitto (executado localmente)
  • Componentes Utilizados:
    • Sensor ultrassônico HC-SR04 para detecção de presença
    • Display OLED SSD1306 128x64 (I2C) para informações visuais
    • LED RGB para indicação de estado
    • Matriz de LEDs 5x5 para alertas visuais dinâmicos
    • Buzzers com PWM para alertas sonoros
  • Bibliotecas:
    • lwIP MQTT para comunicação MQTT
    • Pico SDK para acesso ao hardware (GPIO, ADC, PWM e I2C)
    • CYW43 para controle do módulo Wi-Fi
    • Bibliotecas personalizadas para controle dos periféricos

Tópicos MQTT

O sistema utiliza uma estrutura bem definida de tópicos MQTT para comunicação:

/distance

  • Tipo: Publicação automática
  • Frequência: A cada 2 segundos
  • Função: Transmite a distância medida pelo sensor HC-SR04 em centímetros
  • Formato: Valor numérico (ex: "25")
  • Uso: Alimenta gráficos dinâmicos no aplicativo móvel

/status

  • Tipo: Publicação automática
  • Frequência: A cada 0,8 segundos
  • Função: Informa o estado atual do sistema
  • Formatos:
    • "Portao fechado – sem presença detectada"
    • "Presença detectada – aguardando ação"
    • "Portao aberto – acesso autorizado"
  • Uso: Exibição de status em tempo real na interface

/gate

  • Tipo: Comando bidirecional
  • Função: Controla abertura e fechamento do portão
  • Comandos de entrada:
    • "Open" ou "1" → Abre o portão
    • "Close" ou "0" → Fecha o portão
  • Resposta: Publicação em /gate/state confirmando a ação

Tópicos Auxiliares

  • /online: Last Will and Testament (indica se o dispositivo está conectado)
  • /ping: Responde com tempo de atividade do sistema
  • /uptime: Tempo desde a inicialização em segundos
  • /print: Recebe mensagens para debug via terminal
  • /exit: Comando para desconexão controlada

Aplicativos Utilizados

IoT MQTT Panel (Android/iOS)

  • Função: Interface gráfica principal para controle do sistema
  • Recursos utilizados:
    • Gráfico dinâmico: Visualização da distância em tempo real
    • Indicadores de status: Texto mostrando estado atual
    • Botões de controle: "Abrir Portão" e "Fechar Portão"
    • Dashboard personalizado: Layout configurável com widgets
  • Configuração: Conexão ao broker MQTT local via IP da rede

Termux (Android)

  • Função: Terminal Linux no smartphone para executar o broker MQTT
  • Uso: Instalação e execução do Mosquitto MQTT Broker
  • Comandos utilizados: 
    pkg install mosquitto
mosquitto -d

Mosquitto MQTT Broker

  • Função: Servidor MQTT local executado no smartphone
  • Características:
    • Leve e eficiente
    • Suporte a QoS (Quality of Service)
    • Retain messages para persistência de dados
    • Compatibilidade com Last Will and Testament

Como Funciona

Detecção de Presença

  • O sensor ultrassônico HC-SR04 mede continuamente a distância entre o portão e qualquer objeto à sua frente.
  • Leituras são filtradas para reduzir ruídos e garantir precisão (múltiplas amostragens com getCmFiltered()).
  • Quando a distância medida é ≤ 30 cm, o sistema considera que há uma presença detectada.

Máquina de Estados

  • ESPERANDO:

    • LED RGB: Azul
    • Display OLED: Ícone de cadeado fechado
    • Matriz LED: Desligada
    • Buzzer: Desligado
    • Publicação MQTT: Status "Portao fechado – sem presença detectada"
    • Transição: Passa para PRESENCA_DETECTADA se distância ≤ 30 cm

  • PRESENCA_DETECTADA:

    • LED RGB: Vermelho
    • Display OLED: Ícone de alerta
    • Matriz LED: Símbolo "X" piscante
    • Buzzer: Alarme sonoro ativo
    • Publicação MQTT: Status "Presença detectada – aguardando ação"
    • Transição: Retorna para ESPERANDO se distância > 30 cm ou avança para PORTAO_ABERTO via comando MQTT

  • PORTAO_ABERTO:

    • LED RGB: Verde
    • Display OLED: Ícone de cadeado aberto
    • Matriz LED: Símbolo "✓" (check)
    • Buzzer: Som de abertura (momentâneo)
    • Publicação MQTT: Status "Portao aberto – acesso autorizado"
    • Transição: Retorna para estado apropriado via comando MQTT "Close"

Comunicação MQTT

  • O Raspberry Pi Pico W atua como cliente MQTT, conectando-se ao broker local.
  • Workers assíncronos garantem publicação periódica sem bloquear o loop principal.
  • QoS 1 (At least once) garante entrega confiável das mensagens.
  • Retain flags mantêm último estado conhecido disponível para novos clientes.

Configuração do Hardware

Componente Pino do RP2040 Função
Sensor HC-SR04 Trigger GP16 Dispara pulso ultrassônico
Sensor HC-SR04 Echo GP17 Recebe resposta do pulso ultrassônico
Display OLED (I2C) GP14 (SDA), GP15 (SCL) Exibição de informações e ícones
LED RGB Pinos dedicados (LED_RED, LED_GREEN, LED_BLUE) Indicação visual de estado
Matriz de LEDs 5x5 PIO Exibição de símbolos de alerta e confirmação
Buzzer 1 BUZZER1 (PWM) Alarme para presença detectada
Buzzer 2 BUZZER2 (PWM) Sons de inicialização, abertura e fechamento
Wi-Fi (CYW43439) Integrado ao Pico W Comunicação MQTT via Wi-Fi

Configuração do Sistema

Credenciais Wi-Fi e MQTT

No arquivo smartgate-mqtt.c, configure:

#define WIFI_SSID "SEU_SSID"
#define WIFI_PASSWORD "SEU_PASSWORD_WIFI"
#define MQTT_SERVER "SEU_HOST"  // Ex: 192.168.1.107
#define MQTT_USERNAME "SEU_USERNAME_MQTT"
#define MQTT_PASSWORD "SEU_PASSWORD_MQTT"

Broker MQTT Local (Smartphone)

  1. Instale o Termux no Android
  2. Execute os comandos: 
    pkg update && pkg upgrade
pkg install mosquitto
mosquitto -d
  3. Anote o IP do smartphone na rede Wi-Fi
  4. Configure o IP no código do Pico W

Aplicativo IoT MQTT Panel

  1. Instale o aplicativo na Play Store/App Store
  2. Configure conexão com o broker:
    • Host: IP do smartphone
    • Port: 1883
    • Client ID: Nome único
  3. Adicione widgets:
    • Gráfico: Tópico /distance
    • Text Display: Tópico /status
    • Botões: Tópico /gate com payloads "Open"/"Close"

Estrutura do Repositório

  • smartgate-mqtt.c: Código-fonte principal do projeto.
  • CMakeLists.txt: Arquivo de configuração para o sistema de build CMake.
  • lwipopts.h: Configurações personalizadas da stack lwIP para MQTT.
  • mbedtls_config.h: Configurações para TLS (se usado).
  • lib/hcSR04.h e lib/hcSR04.c: Biblioteca para o sensor ultrassônico HC-SR04.
  • lib/ssd1306.h e lib/ssd1306.c: Biblioteca para controle do display OLED.
  • lib/led_5x5.h e lib/led_5x5.c: Biblioteca para controle da matriz de LEDs 5x5 via PIO.
  • lib/buzzer.h e lib/buzzer.c: Biblioteca para geração de sons via PWM.
  • lib/ledRGB.h e lib/ledRGB.c: Biblioteca para controle do LED RGB.
  • lib/font.h: Definição da fonte e ícones utilizados no display OLED.
  • README.md: Documentação do projeto.

Fluxo de Operação

  1. Inicialização: O sistema configura todos os periféricos, conecta-se à rede Wi-Fi e estabelece conexão com o broker MQTT.
  2. Registro de Tópicos: O cliente MQTT se inscreve nos tópicos de controle e publica tópicos de dados.
  3. Workers Assíncronos: Iniciam publicação periódica de distância e status do sistema.
  4. Loop Principal: O sistema continuamente:
    • Lê e filtra a distância medida pelo sensor ultrassônico
    • Atualiza o estado da máquina de estados com base nas medições e comandos MQTT
    • Gerencia os periféricos (LED RGB, OLED, matriz LED, buzzers) de acordo com o estado atual
    • Processa mensagens MQTT recebidas nos tópicos subscritos
    • Publica dados atualizados via workers temporizados

Conceitos Aplicados

  • Protocolo MQTT: Comunicação leve e eficiente para IoT com QoS e retain.
  • Máquina de Estados: Gerenciamento de diferentes modos de operação do sistema.
  • Workers Assíncronos: Processamento não-bloqueante para publicação periódica.
  • Broker Local: Infraestrutura MQTT executada em dispositivo móvel.
  • Medição Ultrassônica: Detecção de presença sem contato físico.
  • Filtragem de Sinais: Técnicas para redução de ruído nas leituras do sensor.
  • Interface Móvel: Controle via aplicativo dedicado com widgets personalizáveis.
  • Modulação por Largura de Pulso (PWM): Geração de diferentes padrões sonoros.
  • Interface I2C: Comunicação com o display OLED.
  • Programable IO (PIO): Controle eficiente da matriz de LEDs 5x5.
  • Feedback Multi-sensorial: Combinação de estímulos visuais e auditivos para alertas.

Objetivos Alcançados

  • Automação Residencial: Sistema prático para controle de acesso em residências.
  • Interface Móvel Intuitiva: Controle via smartphone sem necessidade de desenvolvimento de app personalizado.
  • Comunicação IoT Robusta: Implementação completa do protocolo MQTT com QoS e retain.
  • Infraestrutura Local: Broker MQTT executado no próprio smartphone, sem dependência de nuvem.
  • Monitoramento em Tempo Real: Visualização contínua de distância via gráficos dinâmicos.
  • Segurança: Alerta em tempo real para presença detectada com múltiplas formas de notificação.
  • Usabilidade: Combinação de indicadores visuais, sonoros e interface mobile para feedback completo.
  • Modularidade: Código organizado em bibliotecas reutilizáveis com arquitetura assíncrona.
  • Escalabilidade: Estrutura preparada para múltiplos dispositivos e sensores adicionais.
  • Prototipação Realista: Simulação funcional de um sistema automatizado de controle de portão com protocolo industrial.

Desenvolvido por

Henrique Oliveira dos Santos
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