Phycocarbon IoT — Biofotorreator Inteligente com ESP32

Visão Geral

O projeto Phycocarbon IoT simula um biofotorreator automatizado para cultivo de microalgas, como Spirulina e Chlorella, utilizando um microcontrolador ESP32 no ambiente Wokwi.

A solução monitora variáveis críticas do tanque, interpreta o estado operacional, exibe informações no LCD, aciona LEDs/servo motor e envia dados em tempo real via MQTT para integração com a API .NET, responsável por consumir a telemetria e persistir os dados no banco Oracle.

Este módulo representa a camada de borda do ecossistema Phycocarbon, conectando sensores simulados, atuadores e comunicação assíncrona com o restante da arquitetura.

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Objetivo da Solução IoT

O objetivo do dispositivo IoT é monitorar as condições de um tanque de microalgas e auxiliar na automação da produção de biomassa.

O ESP32 realiza:

• leitura simulada de pH da água;
• leitura de luminosidade local;
• leitura de temperatura da água;
• leitura simulada de turbidez;
• exibição das leituras em display LCD;
• acionamento de LED verde para operação normal;
• acionamento de LED vermelho para alerta;
• acionamento de servo motor para simular válvula/bomba de colheita;
• publicação de telemetria em JSON via MQTT;
• publicação de alertas críticos via MQTT;
• recebimento de comandos remotos via MQTT.

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Componentes Utilizados

Componente	Função
ESP32 DevKit	Microcontrolador principal
Potenciômetro 1	Simula sensor de pH
Potenciômetro 2	Simula sensor de turbidez
LDR	Simula luminosidade local
DS18B20	Simula temperatura da água
LCD 16x2 I2C	Exibe leituras e status do tanque
LED Verde	Indica operação normal
LED Vermelho	Indica alerta operacional
Servo Motor	Simula válvula/bomba de colheita

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Mapeamento de Pinos

Componente	Pino ESP32
LED Vermelho	GPIO 25
LED Verde	GPIO 26
Potenciômetro pH	GPIO 34
LDR	GPIO 35
Sensor DS18B20	GPIO 4
Potenciômetro Turbidez	GPIO 32
Servo Motor	GPIO 27
LCD SDA	GPIO 21
LCD SCL	GPIO 22

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Identificação do Dispositivo

Este protótipo representa um dispositivo IoT vinculado a uma fazenda e a um tanque cadastrados no banco Oracle.

Campo	Valor
ID Fazenda	5
ID Tanque	10
ID Dispositivo	10

Esses IDs são usados para permitir que a API .NET relacione a origem da telemetria com o tanque correto no banco de dados.

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Faixas Operacionais

As faixas utilizadas no código foram alinhadas ao comportamento esperado para um tanque de cultivo de microalgas.

Variável	Faixa / Regra
pH ideal	6.5 até 8.5
Temperatura ideal	18°C até 28°C
Luminosidade ideal	3000 até 15000
Turbidez baixa	menor que 100
Pronto para colheita	turbidez maior ou igual a 650

A luminosidade é simulada em uma escala proporcional de 0 a 15000, aproximando o comportamento esperado para uma leitura em lux.

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Lógica de Funcionamento

O ESP32 lê os sensores periodicamente e classifica o estado do tanque.

Estados possíveis:

Status	Significado
NORMAL	Todas as variáveis estão dentro da faixa ideal
PH_CRITICO	pH extremamente fora da faixa segura
PH_BAIXO	pH abaixo da faixa ideal
PH_ALTO	pH acima da faixa ideal
TEMPERATURA_ALTA	Temperatura acima da faixa ideal
TEMPERATURA_BAIXA	Temperatura abaixo da faixa ideal
LUMINOSIDADE_BAIXA	Luminosidade abaixo do mínimo esperado
TURBIDEZ_FORA_PADRAO	Turbidez abaixo do mínimo esperado
PRONTO_COLHEITA	Biomassa densa o suficiente para colheita

Quando o status é PRONTO_COLHEITA, o servo motor pode ser acionado automaticamente, simulando a abertura da válvula ou bomba de colheita.

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Convenção do Servo Motor

Nesta simulação Wokwi:

Ângulo	Significado
0°	Servo aberto / Colheita ON
90°	Servo fechado / Colheita OFF

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Comunicação MQTT

O dispositivo conecta-se ao broker público HiveMQ.

Configuração	Valor
Broker	broker.hivemq.com
Porta	1883
Client ID base	phycocarbon-esp32-tanque01

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Tópicos MQTT

O projeto utiliza três tópicos MQTT principais:

Tópico	Tipo	Finalidade
phycocarbon/fiap/tanque01/telemetria	Publicação	Envio das métricas do tanque
phycocarbon/fiap/tanque01/comandos	Assinatura	Recebimento de comandos remotos
phycocarbon/fiap/tanque01/alertas	Publicação	Envio de alertas críticos

Importante: os testes MQTT devem usar os tópicos acima. Eles são os mesmos tópicos definidos no arquivo Dispositivo-IoT.ino.

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Payload de Telemetria

O ESP32 publica telemetria no tópico:

phycocarbon/fiap/tanque01/telemetria

Exemplo de payload em estado normal:

{
  "dispositivo_id": 10,
  "pH": 7.4,
  "temp": 24.5,
  "turbidez": 533,
  "luminosidade": 12000,
  "status": "NORMAL",
  "pronto_colheita": false,
  "servo_aberto": false
}

Exemplo de payload quando o tanque está pronto para colheita:

{
  "dispositivo_id": 10,
  "pH": 7.4,
  "temp": 26.5,
  "turbidez": 680,
  "luminosidade": 12500,
  "status": "PRONTO_COLHEITA",
  "pronto_colheita": true,
  "servo_aberto": true
}

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Comandos MQTT

O ESP32 recebe comandos remotos pelo tópico:

phycocarbon/fiap/tanque01/comandos

O dispositivo aceita comandos em texto puro ou JSON.

Exemplo em texto puro:

ABRIR_SERVO

Exemplo em JSON:

{
  "comando": "ABRIR_SERVO"
}

Lista de Comandos Aceitos

Comando	Ação
COLHER	Abre e fecha o servo temporariamente
LIGAR_BOMBA	Abre e fecha o servo temporariamente
ACIONAR_COLHEITA	Abre e fecha o servo temporariamente
ABRIR_SERVO	Mantém o servo aberto
SERVO_ABRIR	Mantém o servo aberto
ABRIR	Mantém o servo aberto
FECHAR_SERVO	Fecha o servo
SERVO_FECHAR	Fecha o servo
FECHAR	Fecha o servo

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Payload de Alerta

O ESP32 publica alertas críticos no tópico:

phycocarbon/fiap/tanque01/alertas

Esse tópico é usado quando alguma variável do tanque sai da faixa ideal, como pH crítico, temperatura inadequada, baixa luminosidade ou turbidez fora do padrão.

Exemplo de payload de alerta:

{
  "id_dispositivo": 10,
  "id_tanque": 10,
  "id_fazenda": 5,
  "tipo_alerta": "PH_BAIXO",
  "severidade": "ATENCAO",
  "status_alerta": "ABERTO",
  "mensagem": "pH abaixo da faixa ideal.",
  "pH": 5.8,
  "temp": 24.5,
  "turbidez": 420,
  "luminosidade": 11000,
  "pronto_colheita": false,
  "servo_aberto": false
}

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Tipos de Alerta

Tipo de Alerta	Descrição
PH_CRITICO	pH em faixa crítica
PH_BAIXO	pH abaixo da faixa ideal
PH_ALTO	pH acima da faixa ideal
TEMPERATURA_ALTA	Temperatura acima da faixa ideal
TEMPERATURA_BAIXA	Temperatura abaixo da faixa ideal
LUMINOSIDADE_BAIXA	Luminosidade abaixo do mínimo esperado
TURBIDEZ_FORA_PADRAO	Turbidez abaixo do padrão esperado

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Bibliotecas Utilizadas

O projeto utiliza as seguintes bibliotecas no Arduino/Wokwi:

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <ArduinoJson.h>
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#include <ESP32Servo.h>
#include <math.h>

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Como Testar no Wokwi

1. Abra o projeto no Wokwi.
2. Inicie a simulação.
3. Verifique no LCD se o Wi-Fi conectou.
4. Verifique no Serial Monitor se o MQTT conectou.
5. Acesse um cliente MQTT, como o HiveMQ WebSocket Client.
6. Conecte no broker broker.hivemq.com.
7. Assine o tópico de telemetria:

phycocarbon/fiap/tanque01/telemetria

8. Confirme o recebimento do JSON de telemetria.
9. Assine o tópico de alertas:

phycocarbon/fiap/tanque01/alertas

10. Altere os sensores simulados para forçar um alerta.
11. Publique comandos no tópico:

phycocarbon/fiap/tanque01/comandos

12. Teste os comandos:

COLHER
ABRIR_SERVO
FECHAR_SERVO
ACIONAR_COLHEITA

Também é possível testar comandos em JSON:

{
  "comando": "ABRIR_SERVO"
}

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Fluxo da Arquitetura

Sensores simulados
      ↓
ESP32
      ↓
Processamento local
      ↓
Display LCD / LEDs / Servo
      ↓
MQTT
      ↓
Broker HiveMQ
      ↓
API .NET
      ↓
Banco Oracle
      ↓
API Java / Mobile React Native / Dashboard

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Integração com o Ecossistema Phycocarbon

A camada IoT é responsável pela coleta física dos dados do biofotorreator.

Os dados gerados pelo ESP32 podem ser consumidos pela API .NET, persistidos no banco Oracle e exibidos no aplicativo mobile React Native.

Essa arquitetura permite que o sistema:

• monitore o cultivo de microalgas em tempo real;
• detecte condições críticas de operação;
• registre histórico de métricas no banco;
• acione alertas preventivos;
• automatize a colheita quando a biomassa atingir o ponto ideal;
• forneça dados para dashboards e futuras análises preditivas.

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Arquivos do Projeto

Arquivo	Descrição
Dispositivo-IoT.ino	Código principal do ESP32
diagram.json	Diagrama do circuito no Wokwi
wokwi.toml	Configuração do projeto Wokwi
README.md	Documentação do projeto

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Integrantes da Equipe

Nome	RM	Turma	GitHub	LinkedIn
Alexander Dennis Isidro Mamani	565554	2TDSPG	alex-isidro	LinkedIn
Arthur Brito da Silva	562085	2TDSPG	thubrito	LinkedIn
Kelson Zhang	563748	2TDSPG	KelsonZh0	LinkedIn
Luiz Felipe Flosi dos Santos	563197	2TDSPG	felipeflosii	LinkedIn
Pedro Henrique Brum Lopes	561780	2TDSPG	PedroBrum-DEV	LinkedIn

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Licença

Projeto desenvolvido exclusivamente para fins acadêmicos na Global Solution FIAP 2026.