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Como criar um rastreador LoRaWAN® com alta imunidade à jammers
Com o advento da Internet das Coisas, um segmento do mercado de eletrônicos e logística ficou ainda mais evidente: o rastreamento. Seja para acompanhar, em tempo real, onde um veículo de passeio se encontra ou para monitorar o transporte de cargas valiosas e muito visadas, o rastreamento é a solução que dá mais tranquilidade, agilidade e previsibilidade perante o trajeto para as empresas envolvidas no referido transporte.
Nesse quesito, o uso da tecnologia LoRaWAN® torna-se uma ótima opção no mercado, sobretudo dentro de áreas urbanas. Isso se deve ao fato de que, em comparação ao uso de rede celular (como é comumente feito), a LoRaWAN® é significativamente mais barata, consome menos energia e, ainda, tem uma grande vantagem de não ser afetada por jammers convencionais, uma vez que utiliza um rádio sub-GHz e de banda estreita.
Este artigo vai mostrar como desenvolver um rastreador simples, utilizando um módulo com ESP32 e GPS, utilizando conectividade LoRaWAN®.
Material necessário
Este projeto requer como hardware somente um módulo TTGO T-Beam, também conhecido no mercado como Módulo WiFi ESP32 com Suporte de Bateria, GPS e LoRa 915MHZ.
Este módulo já dispõe de toda circuitaria necessária para este projeto (e coisas além, como suporte a baterias Li-Ion 18650, por exemplo), não sendo preciso, portanto, nenhum componente adicional para a montagem do projeto deste artigo. Este módulo pode ser visto na figura 1.
Figura 1 – Módulo WiFi ESP32 com Suporte de Bateria, GPS e LoRa 915MHZ
O que é um rastreador?
Um rastreador é um dispositivo eletrônico capaz de:
- Obter a localização geográfica (latitude e longitude) via sinal GPS;
- Enviar, periodicamente, via algum canal de comunicação (Wi-Fi, LoRaWAN®, GPRS etc.), a sua localização geográfica para um servidor remoto ou plataforma IoT;
- Em alguns casos, pode ainda obter e enviar outros dados, tais como: número de velocidade do rastreador, status de entradas e saídas, temperatura de baús refrigerados, status do botão de pânico etc.
Além disso, outros pontos importantes sobre rastreadores são:
- A periodicidade do envio de localização para o servidor remoto está atrelada, principalmente, à tarifação das mensagens.
- Por isso, é comum que o tempo entre os envios consecutivos de dados seja feito a cada dois minutos ou mais. Em casos extremos (cuja tarifação é muito alta ou o número máximo de mensagens / dia é baixo), esse tempo pode chegar a trinta minutos ou mais.
Overview do rastreador a ser desenvolvido
O projeto de um rastreador feito aqui utiliza conectividade LoRaWAN® (em modo ABP) para envio das localizações geográficas e data/hora (obtidas via GPS) para a nuvem. A periodicidade do envio de mensagens é de 1 hora. Como ambiente de desenvolvimento, visando maior facilidade, é usado o Arduino IDE. Para garantir um bom funcionamento e possibilidade de executar tarefas de forma paralela, o software desenvolvido para esse projeto faz uso do FreeRTOS. O ESP32 roda o FreeRTOS de forma nativa (seu SDK utiliza, por default, o FreeRTOS), facilitando o seu uso em projetos envolvendo este hardware.
Abaixo estão descritas as tarefas e suas funcionalidades no projeto:
- task_leitura_gps: tarefa responsável por obter, de forma periódica (a cada hora), do módulo GPS as localizações geográficas e data/hora. Estes dados são armazenados numa fila, com posições (espaços) suficientes para suportar até 8 horas de rastreamento. O uso de uma fila para armazenar as posições garante que estas fiquem armazenadas de forma segura e que sejam enviadas via LoRaWAN® na exata ordem com que foram inseridas na fila. A ordem de leitura é algo muito importante se você desejar traçar a rota que o rastreador percorreu, funcionalidade bastante comum em sistemas que utilizam localização GPS.
- task_lorawan: tarefa responsável por gerenciar a conectividade LoRaWAN® e fazer o envio da localização e data/hora para a nuvem via esta conectividade.
Dessa forma, as funcionalidades de obtenção de localização geográfica e gerenciamento de conectividade operam em paralelo, o que maximiza a performance do rastreador.
Nota do autor: o rastreador aqui desenvolvido tem teor de demonstração de uso da conectividade LoRaWAN® para rastreamento, logo não é adequado nem recomendado seu uso comercial da exata forma como é apresentado neste artigo.
Bibliotecas necessárias para o rastreador veicular com ESP32 e FreeRTOS
Conforme dito anteriormente, este projeto é desenvolvido na Arduino IDE. Desta forma, a bibliotecas utilizadas são:
1) MCCI LoRaWAN LMIC Library: Biblioteca para comunicação LoRaWAN® (stack LMIC). Este projeto faz uso da versão 2.3.2 desta biblioteca. Obtenha a versão 2.3.2 desta biblioteca no seu repositório Github oficial (https://github.com/mcci-catena/arduino-lmic) e a instale na Arduino IDE via Sketch > Include Library > Add .zip Library…
Importante: antes de compilar qualquer programa usando essa biblioteca, é preciso configurar o país e banda a ser utilizada, de forma a ser possível comunicar-se com os gateways da ATC. Para isso, deve-se deixar o arquivo lmic_project_config.h (contido dentro na pasta da biblioteca: project_config/lmic_project_config.h) com o conteúdo conforme mostrado abaixo:
// project-specific definitions
//#define CFG_eu868 1
//#define CFG_us915 1
#define CFG_au921 1
//#define CFG_as923 1
// #define LMIC_COUNTRY_CODE LMIC_COUNTRY_CODE_JP
//#define CFG_in866 1
#define CFG_sx1276_radio 1
//#define LMIC_USE_INTERRUPTS
2) TinyGPS++: Biblioteca para comunicação com módulo GPS da placa.
Obtenha esta biblioteca no seu repositório Github oficial (https://github.com/mikalhart/TinyGPSPlus) e a instale na Arduino IDE via Sketch > Include Library > Add .zip Library…
3) AXP20X: Biblioteca para comunicação chip de gerenciamento de energia do módulo, de modo a permitir liberar energia para ligar o módulo GPS da placa. Obtenha esta biblioteca no seu repositório Github oficial (https://github.com/lewisxhe/AXP202X_Library) e a instale na Arduino IDE via Sketch > Include Library > Add .zip Library…
Código-fonte do rastreador veicular com ESP32 e FreeRTOS
Antes de irmos de fato ao código-fonte do projeto, seguem algumas observações importantes:
- Leia atentamente os comentários contidos no código-fonte para total compreensão do mesmo.
- O tamanho da fila de localizações é automaticamente calculado para suportar 8 horas de localizações gravadas. Esse cálculo é feito em função do tempo entre o envio de localizações geográficas (definido em TEMPO_ENTRE_POSICOES_GPS)
- Para mudar o tempo entre o envio de localizações geográficas, altere o valor de TEMPO_ENTRE_POSICOES_GPS no código-fonte. Por default, este valor é de 3600 segundos (uma hora).
- Lembre-se que quanto menor o tempo de envio de dados via LoRaWAN®, mais posições a fila de localização terá. Ela é calculada automaticamente para sempre suportar 8 horas de aquisição de localizações. Portanto, tempos entre envios de dados muito curtos podem resultar na geração de uma fila muito grande e, consequentemente, ocupar muita memória RAM do ESP32. Dessa forma, modifique o valor de TEMPO_ENTRE_POSICOES_GPS com sabedoria.
- Este projeto faz uso de LoRaWAN® no modo ABP. Neste modo, o dispositivo precisará ter gravado em si as seguintes chaves: network session key e application session key. Ainda, o dispositivo terá que possuir o seu endereço na rede LoRaWAN® (device address). No código-fonte do projeto, estas informações precisam ser preenchidas nas seguintes constantes: NWKSKEY, APPSKEY e DEVADDR. Tais informações são obtidas junto ao seu distribuidor LoRaWAN®, sendo estas informações únicas por dispositivo (logo, não compartilhe com ninguém essas chaves!). Sendo assim, não se esqueça de colocar suas chaves no código, caso contrário não será possível utilizar a conectividade LoRaWAN®.
O código-fonte do projeto pode ser visto abaixo:
/* Projeto: rastreador com placa ESP32 TTGO T-Beam,
* usando conectividade LoRaWAN (ABP) e já configurado
* para usar os gateways da ATC.
* Autor: Pedro Bertoleti
*
* Bibliotecas utlizadas:
* – TinyGPS++: https://github.com/mikalhart/TinyGPSPlus
* – axp20x: https://github.com/lewisxhe/AXP202X_Library
* – MCCI LoRaWAN LMIC Library: https://github.com/mcci-catena/arduino-lmic (versão 2.3.2)
*/
#include <TinyGPS++.h>
#include
#include
#include
#include <hal/hal.h>
#include
/* Definição – tempo máximo sem alimentar o watchdog */
#define TEMPO_WATCHDOG_SEGUNDOS 60
/* Definições gerais */
/* o módulo GPS da placa está ligado na serial 1 do ESP32 */
#define SERIAL_GPS 1
#define BAUDRATE_SERIAL_GPS 9600
#define GPIO_RX_SERIAL_GPS 34
#define GPIO_TX_SERIAL_GPS 12
#define TEMPO_ENTRE_POSICOES_GPS 3600 //s
#define TEMPO_UM_DIA_DE_TRABALHO 28800 //s (28800s = 8h)
#define TAMANHO_FILA_POSICOES_GPS (28800/TEMPO_ENTRE_POSICOES_GPS)
#define TEMPO_LEITURA_SERIAL_GPS 1000 //ms
/* definições de temporização das tarefas */
#define TICKS_ESPERA_POSICAO_GPS ( TickType_t )1000
#define TICKS_ESPERA_ENVIO_POSICAO_GPS ( TickType_t )10000
/* Baudrate da serial usada para debug (serial monitor) */
#define BAUDRATE_SERIAL_DEBUG 115200
/* Definições – radio LoRa */
#define GANHO_LORA_DBM 20 //dBm
#define RADIO_RESET_PORT 14
#define RADIO_MOSI_PORT 27
#define RADIO_MISO_PORT 19
#define RADIO_SCLK_PORT 5
#define RADIO_NSS_PORT 18
#define RADIO_DIO_0_PORT 26
#define RADIO_DIO_1_PORT 33
#define RADIO_DIO_2_PORT 32
/* Constantes do LoraWAN */
/* – Chaves (network e application keys) */
static const PROGMEM u1_t NWKSKEY[16] = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 }; //coloque aqui sua network session key (obtido no seu distribuidor LoRaWAN)
static const u1_t PROGMEM APPSKEY[16] = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 }; //coloque aqui sua application session key (obtido no seu distribuidor LoRaWAN)
/* – Device Address */
static const u4_t DEVADDR = 0x00000000; //coloque aqui o device address do seu dispositivo (obtido no seu distribuidor LoRaWAN)
/* Constantes do rádio LoRa: GPIOs utilizados para comunicação
com rádio SX1276 */
const lmic_pinmap lmic_pins = {
.nss = RADIO_NSS_PORT,
.rxtx = LMIC_UNUSED_PIN,
.rst = RADIO_RESET_PORT,
.dio = {RADIO_DIO_0_PORT, RADIO_DIO_1_PORT, LMIC_UNUSED_PIN}, //dio2 não é utilizado neste hardware (TTGO T-Beam)
};
/* Filas */
/* Fila para armazenar posições GPS */
QueueHandle_t xQueue_GPS;
/* Estrutura de dados de posição */
typedef struct
{
float latitude;
float longitude;
int horas;
int minutos;
int segundos;
}TPosicao_GPS;
#define TAMANHO_DADOS_LORAWAN sizeof(TPosicao_GPS)
/* Demais objetos e variáveis globais */
TinyGPSPlus gps;
HardwareSerial GPS(SERIAL_GPS);
AXP20X_Class axp;
static osjob_t sendjob;
/* Protótipos das funções das tarefas */
void task_leitura_gps( void *pvParameters );
void task_lorawan( void *pvParameters );
/* Protótipos de funções gerais */
void inicializa_lorawan(void);
bool do_send(osjob_t* j);
/*
* Implementações
*/
/* Callbacks para uso com OTAA apenas (por este projeto usar ABP, eles estão vazios) */
void os_getArtEui (u1_t* buf)
{
/* Não utilizado neste projeto */
}
void os_getDevEui (u1_t* buf)
{
/* Não utilizado neste projeto */
}
void os_getDevKey (u1_t* buf)
{
/* Não utilizado neste projeto */
}
/* Callback de evento: todo evento do LoRaAN irá chamar essa
callback, de forma que seja possível saber o status da
comunicação com o gateway LoRaWAN. */
void onEvent (ev_t ev)
{
switch(ev)
{
case EV_SCAN_TIMEOUT:
break;
case EV_BEACON_FOUND:
break;
case EV_BEACON_MISSED:
break;
case EV_BEACON_TRACKED:
break;
case EV_JOINING:
break;
case EV_JOINED:
break;
case EV_JOIN_FAILED:
break;
case EV_REJOIN_FAILED:
break;
case EV_TXCOMPLETE:
/* COntrole do semáforo serial obtido. Printa na serial as informações do evento. */
Serial.println (millis());
Serial.println(F(“EV_TXCOMPLETE (incluindo espera pelas janelas de recepção)”));
/* Verifica se ack foi recebido do gateway */
if (LMIC.txrxFlags & TXRX_ACK)
Serial.println(F(“Ack recebido”));
/* Verifica se foram recebidos dados do gateway */
if (LMIC.dataLen > 0)
{
Serial.println(F(“[DOWNLINK LORAWAN] Recebidos “));
Serial.println(LMIC.dataLen);
Serial.println(F(” bytes (payload) do gateway”));
/* Como houve recepção de dados do gateway, os coloca
em um array para uso futuro. */
uint8_t dados_recebidos = LMIC.frame[LMIC.dataBeg + 0];
Serial.print(F(“Dados recebidos: “));
Serial.write(dados_recebidos);
}
break;
case EV_LOST_TSYNC:
break;
case EV_RESET:
break;
case EV_RXCOMPLETE:
break;
case EV_LINK_DEAD:
break;
case EV_LINK_ALIVE:
break;
case EV_TXSTART:
Serial.println(F(“EV_TXSTART”));
Serial.println (millis());
Serial.println(LMIC.freq);
break;
default:
break;
}
}
/* Função para envio de dados ao gateway LoRaWAN */
bool do_send(osjob_t* j, TPosicao_GPS posicao_gps)
{
bool envio_ok = false;
static uint8_t mydata[TAMANHO_DADOS_LORAWAN];
/* Monta buffer de envio de dados LoRaWAN */
memcpy(mydata, (uint8_t *)&posicao_gps, TAMANHO_DADOS_LORAWAN);
/* Verifica se já há um envio sendo feito.
Em caso positivo, o envio atual é suspenso. */
if (LMIC.opmode & OP_TXRXPEND)
{
Serial.println(F(“OP_TXRXPEND: ha um envio ja pendente, portanto o envio atual nao sera feito”));
envio_ok = false;
}
else
{
/* Aqui, o envio (sem confirmação) é feito. */
/* O pacote LoRaWAN é montado e o coloca na fila de envio. */
LMIC_setTxData2(4, mydata, sizeof(mydata), 0);
Serial.println(“Pacote LoRaWAN na fila de envio.”);
envio_ok = true;
}
return envio_ok;
}
/* Função: inicializa LoRaWAN
* Parametros: nenhum
* Retorno: nenhum
*/
void inicializa_lorawan(void)
{
int b;
uint8_t appskey[sizeof(APPSKEY)];
uint8_t nwkskey[sizeof(NWKSKEY)];
/* Inicializa comunicação SPI com rádio LoRa */
SPI.begin(RADIO_SCLK_PORT, RADIO_MISO_PORT, RADIO_MOSI_PORT);
/* Inicializa stack LoRaWAN */
os_init();
LMIC_reset();
/* Inicializa chaves usadas na comunicação ABP */
memcpy_P(appskey, APPSKEY, sizeof(APPSKEY));
memcpy_P(nwkskey, NWKSKEY, sizeof(NWKSKEY));
LMIC_setSession (0x13, DEVADDR, nwkskey, appskey);
/* Faz inicializações de rádio pertinentes a região do
gateway LoRaWAN (ATC / Everynet Brasil) */
for (b=0; b<8; ++b)
LMIC_disableSubBand(b);
LMIC_enableChannel(0); // 915.2 MHz
LMIC_enableChannel(1); // 915.4 MHz
LMIC_enableChannel(2); // 915.6 MHz
LMIC_enableChannel(3); // 915.8 MHz
LMIC_enableChannel(4); // 916.0 MHz
LMIC_enableChannel(5); // 916.2 MHz
LMIC_enableChannel(6); // 916.4 MHz
LMIC_enableChannel(7); // 916.6 MHz
LMIC_setAdrMode(0);
LMIC_setLinkCheckMode(0);
/* Data rate para janela de recepção RX2 */
LMIC.dn2Dr = DR_SF12CR;
/* Configura data rate de transmissão e ganho do rádio
LoRa (dBm) na transmissão */
LMIC_setDrTxpow(DR_SF12, GANHO_LORA_DBM);
}
void setup()
{
/* Inicializa serial para debug */
Serial.begin(BAUDRATE_SERIAL_DEBUG);
/* Inicializa comunicação I²C com chip gerenciador de energia (AXP192) */
Wire.begin(21, 22);
if (!axp.begin(Wire, AXP192_SLAVE_ADDRESS))
Serial.println(“Sucesso ao inicializar comunicação com chip de energia (AXP192)”);
else
{
Serial.println(“Falha ao inicializar comunicação com chip de energia (AXP192). O ESP32 será reiniciado…”);
delay(2000);
ESP.restart();
}
/* Concifgura PMIC da placa para energiza módulos
GPS e LoRa (SX1276) */
axp.setPowerOutPut(AXP192_LDO2, AXP202_ON);
axp.setPowerOutPut(AXP192_LDO3, AXP202_ON);
axp.setPowerOutPut(AXP192_DCDC1, AXP202_ON);
axp.setPowerOutPut(AXP192_DCDC2, AXP202_ON);
axp.setPowerOutPut(AXP192_DCDC3, AXP202_ON);
axp.setPowerOutPut(AXP192_EXTEN, AXP202_ON);
/* Inicializa serial para comunicar com GPS */
GPS.begin(BAUDRATE_SERIAL_GPS,
SERIAL_8N1,
GPIO_RX_SERIAL_GPS,
GPIO_TX_SERIAL_GPS);
/* Criação das filas */
xQueue_GPS = xQueueCreate(TAMANHO_FILA_POSICOES_GPS, sizeof(TPosicao_GPS));
if (xQueue_GPS == NULL)
{
Serial.println(“Falha ao inicializar filas. O programa nao pode prosseguir. O ESP32 sera reiniciado…”);
delay(2000);
ESP.restart();
}
/* Inicia o Task WDT */
esp_task_wdt_init(TEMPO_WATCHDOG_SEGUNDOS, true);
/* Configuração das tarefas */
xTaskCreate(
task_leitura_gps /* Funcao a qual esta implementado o que a tarefa deve fazer */
, “leitura_gps” /* Nome (para fins de debug, se necessário) */
, 4096 /* Tamanho da stack (em words) reservada para essa tarefa */
, NULL /* Parametros passados (nesse caso, não há) */
, 6 /* Prioridade */
, NULL ); /* Handle da tarefa, opcional (nesse caso, não há) */
xTaskCreate(
task_lorawan
, “lorawan”
, 8192
, NULL
, 5
, NULL );
/* O FreeRTOS está inicializado */
}
void loop()
{
/* todas as funcionalidades são feitas pelas tarefas
task_leitura_gps e task_wifi_mqtt */
}
/*
* Tarefas
*/
/* Esta task é responsável por:
* – Obter a localização (latitude e longitude) do módulo GPS
* – Enviar a localização obtida para outras tasks (usando uma fila)
*/
void task_leitura_gps( void *pvParameters )
{
TPosicao_GPS posicao_gps;
unsigned long timestamp_start = 0;
char str_horario[20] = {0};
/* Habilita o monitoramento do Task WDT nesta tarefa */
esp_task_wdt_add(NULL);
while(1)
{
/* Espera pelo tempo (definido em TEMPO_ENTRE_POSICOES_GPS) entre posições GPS */
esp_task_wdt_reset();
vTaskDelay( (TEMPO_ENTRE_POSICOES_GPS*1000) / portTICK_PERIOD_MS );
/* Faz a leitura de todos os dados do GPS (por alguns milissegundos) */
timestamp_start = millis();
do
{
while (GPS.available())
gps.encode(GPS.read());
esp_task_wdt_reset();
} while ( (millis() – timestamp_start) < TEMPO_LEITURA_SERIAL_GPS);
/* Obtem e envia posição / localização para outras tasks usando uma fila*/
posicao_gps.latitude = gps.location.lat();
posicao_gps.longitude = gps.location.lng();
posicao_gps.horas = gps.time.hour();
posicao_gps.minutos = gps.time.minute();
posicao_gps.segundos = gps.time.second();
xQueueSend(xQueue_GPS, ( void * ) &posicao_gps, TICKS_ESPERA_ENVIO_POSICAO_GPS);
Serial.println(“Localizacao GPS obtida:”);
Serial.print(“* Latitude: “);
Serial.println(posicao_gps.latitude);
Serial.print(“* Longitude: “);
Serial.println(posicao_gps.longitude);
sprintf(str_horario,”%02d:%02d:%02d”, posicao_gps.horas,
posicao_gps.minutos,
posicao_gps.segundos);
Serial.print(“Horario (GMT 0): “);
Serial.println(str_horario);
}
}
/* Esta task é responsável por:
* – Gerenciar conextividade LoRaWAN
* – Enviar, quando houver, as posições GPS da fila para a nuvem
* via LoRaWAN
*/
void task_lorawan( void *pvParameters )
{
TPosicao_GPS posicao_gps_recebida;
inicializa_lorawan();
while(1)
{
/* Se há ao menos uma posição GPS na fila para serem enviadas via LoRaWAN, faz o envio aqui */
if( xQueuePeek( xQueue_GPS, &( posicao_gps_recebida ), TICKS_ESPERA_POSICAO_GPS) == pdTRUE)
{
/* Se o envio for bem sucedido, consome de fato a posição da fila (com o xQueueReceive).
Caso contrário, a posição continua na fila para um envio posterior, uma vez que xQueuePeek
somente le um item da fila e nao o consome */
if ( do_send(&sendjob, posicao_gps_recebida) == true)
{
xQueueReceive( xQueue_GPS, &( posicao_gps_recebida ), TICKS_ESPERA_POSICAO_GPS );
}
}
/* Alimenta o watchdog e aguarda 1ms para reiniciar o ciclo */
esp_task_wdt_reset();
vTaskDelay( 1 / portTICK_PERIOD_MS );
}
}
Conclusão
Neste artigo, você aprendeu como desenvolver um rastreador simples, utilizando como forma de envio de dados à nuvem a conectividade LoRaWAN®. Este projeto pode ser facilmente expandido para o que desejar (leitura de sensores, entradas analógicas e digitais etc.), servindo, portanto, como uma base para muitos projetos de rastreador LoRaWAN® a serem desenvolvidos.
Pedro Bertoleti
Pedro Bertoleti é Consultor Tecnológico no Instituto de Pesquisas Eldorado. Você pode se conectar com o Pedro pelo LinkedIn clicando aqui.
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2 comentários em “Como criar um rastreador LoRaWAN® com alta imunidade à jammers”
Esse projeto poder ser usado para rastrear bicicletas ?
Marcos, boa noite. Tudo bem? Aqui é o Pedro Bertoleti, autor do artigo.
Sim, este projeto pode se usado para este fim, porém eu gostaria de ressaltar que este exemplo foi feito com um kit de desenvolvimento (TTGO T-Beam). Logo, para fazer algo assim em massa, o melhor caminho é você fazer um hardware próprio, visando atender às especificações e normas do setor e, também, não depender tanto do fornecedor TTGO (pois, se de uma hora pra outra ele resolver não fabricar mais esse kit de desenvolvimento, você ficará sem hardware para levar o projeto adiante).
Entretanto, se deseja num primeiro momento apenas fazer uma prova de conceito para testar a ideia, reproduzir o projeto da forma que foi apresentada aqui é uma boa pedida.