Etapa 3 - Desenvolvimento de Firmware e Protocolos Embarcados

Bloco 1 - Setup do Ambiente e Arquitetura Base (Infraestrutura)

Foco: Preparar o ambiente profissional de desenvolvimento embarcado em C/C++, estabelecer a arquitetura do firmware e garantir compilação reproduzível para os diferentes tipos de nós.

[ ] 1. Configurar o repositório e CI/CD: Criar o pipeline de compilação automatizada utilizando GitHub Actions, garantindo que cada commit relevante seja compilado e validado automaticamente.
[ ] 2. Configurar o ambiente PlatformIO: Estruturar o projeto no VS Code utilizando o framework de produção definido, como ESP-IDF ou Zephyr RTOS.
[ ] 3. Definir a estrutura de diretórios: Separar a base de código em camadas bem definidas, incluindo HAL (Hardware Abstraction Layer), RTOS, Drivers, Network, Storage e Application.
[ ] 4. Configurar sistema de Build Multi-Target: Permitir a geração de diferentes firmwares, como Sensor, Relay, Router, Storage, Gateway e Mobile, utilizando uma base de código compartilhada.
[ ] 5. Inicializar o RTOS e configurar proteções básicas: Configurar o Task Scheduler, Watchdog Timer, tratamento de falhas e mecanismos básicos de recuperação automática do sistema.

Bloco 2 - Drivers de Baixo Nível e Memória (HAL)

Foco: Desenvolver a camada de abstração de hardware responsável pela comunicação entre o microcontrolador, os rádios, sensores e dispositivos de armazenamento.

[ ] 1. Desenvolver Driver SPI com DMA: Criar uma interface eficiente para comunicação com o módulo de rádio, reduzindo o uso de CPU e permitindo transmissões de alta velocidade.
[ ] 2. Desenvolver Drivers I2C e ADC: Implementar as interfaces para leitura dos sensores ambientais, incluindo nível de água, temperatura, pressão e pluviometria.
[ ] 3. Desenvolver Driver UART para GPS: Implementar a comunicação com módulos GPS utilizando mensagens NMEA e disponibilizar posição, velocidade e horário para os demais módulos do firmware.
[ ] 4. Implementar sistema de arquivos resiliente: Configurar LittleFS ou FATFS na memória Flash, utilizando mecanismos de integridade para reduzir o risco de corrupção após perda inesperada de energia.
[ ] 5. Desenvolver Driver SD/eMMC: Implementar uma camada segura de acesso ao armazenamento externo destinado principalmente aos nós Storage e Gateway.

Bloco 3 - Gerenciamento Energético Prático (Power Management)

Foco: Transformar o modelo energético desenvolvido nas etapas anteriores em mecanismos reais de monitoramento, controle e economia de energia.

[ ] 1. Codificar o monitoramento da bateria via ADC: Implementar a leitura da tensão da bateria e aplicar calibração e filtragem por software para reduzir ruídos e erros de medição.
[ ] 2. Implementar o algoritmo de State of Charge (SoC): Estimar a porcentagem real de carga da bateria a partir da tensão, corrente e demais parâmetros disponíveis, considerando compensações ambientais quando necessário.
[ ] 3. Programar a máquina de estados de energia: Implementar as transições entre Active, Light Sleep e Deep Sleep conforme o papel do nó e as condições operacionais.
[ ] 4. Configurar Wake-up Interrupts: Permitir que o microcontrolador permaneça em baixo consumo e seja acordado por RTC, temporizadores ou eventos físicos provenientes do rádio e demais periféricos.
[ ] 5. Criar Task de otimização térmica e energética: Desenvolver uma tarefa do RTOS responsável por desligar ou reduzir o consumo de sensores, memórias e periféricos que estejam temporariamente ociosos.

Bloco 4 - Camada de Enlace, MAC e Controle de Rádio

Foco: Implementar o controle de acesso ao meio físico, reduzir colisões e garantir comunicação confiável entre os nós da rede.

[ ] 1. Implementar o empacotamento de Structs do Payload: Traduzir o cabeçalho teórico para estruturas C/C++, utilizando empacotamento controlado e manipulação de bits para reduzir o overhead de transmissão.
[ ] 2. Programar o controle de interrupções (IRQ) do rádio: Implementar o tratamento de eventos como Tx Done, Rx Done, Timeout, erro de transmissão e demais eventos disponibilizados pelo transceptor.
[ ] 3. Implementar Listen Before Talk (CCA): Realizar avaliação do canal antes da transmissão para reduzir colisões e controlar o acesso ao meio compartilhado.
[ ] 4. Desenvolver a camada MAC customizada: Implementar mecanismos de confirmação, ACK (Acknowledgement), retransmissão, controle de tentativas e detecção de falhas de enlace.
[ ] 5. Codificar o protocolo de auto-descobrimento: Implementar Beacons periódicos contendo metadados essenciais, como ID do nó, papel atual, nível energético, qualidade do enlace e localização quando disponível.

Bloco 5 - O Cérebro da Rede (Roteamento e Máquina de Estados)

Foco: Traduzir os algoritmos desenvolvidos no NS-3 para estruturas eficientes capazes de executar em microcontroladores com recursos limitados.

[ ] 1. Implementar a tabela de roteamento dinâmica: Criar estruturas em memória estática para registrar vizinhos, métricas de enlace, energia disponível, papel dos nós e melhores próximos saltos.
[ ] 2. Traduzir o algoritmo Energy-Aware: Implementar o recálculo dos pesos das rotas utilizando as informações de energia e qualidade de enlace recebidas dos demais nós.
[ ] 3. Codificar o mecanismo de Self-Healing: Remover automaticamente vizinhos considerados inoperantes após a perda de um número configurável de Beacons e iniciar a descoberta de novas rotas.
[ ] 4. Codificar a máquina de estados de papéis: Implementar as regras que permitem ao microcontrolador alterar autonomamente sua função dentro da rede conforme energia, conectividade, demanda e contexto.
[ ] 5. Implementar o módulo DTN (Store-and-Forward): Detectar a inexistência de uma rota válida e armazenar imediatamente o Payload no Flash ou SD disponível.
[ ] 6. Implementar política de descarte (Garbage Collector): Desenvolver uma política circular e orientada à prioridade para liberar espaço de armazenamento, preservando mensagens críticas e descartando tráfego de menor prioridade quando necessário.

Bloco 6 - Lógica de Aplicação (Filas e Prioridades)

Foco: Orquestrar as tarefas do firmware para garantir que mensagens críticas atravessem a rede mesmo sob congestionamento e limitações severas de recursos.

[ ] 1. Criar filas segmentadas do RTOS: Alocar Message Queues e buffers de memória adequados para as cinco classes de prioridade P0 a P4.
[ ] 2. Implementar preempção P0: Garantir que mensagens de emergência possam interromper ou antecipar o processamento de tráfego de menor prioridade sem comprometer a integridade das tarefas críticas do RTOS.
[ ] 3. Desenvolver a rotina do Sensor: Implementar o ciclo Acordar → Inicializar periféricos → Ler sensores → Criar pacote → Transmitir → Registrar resultado → Retornar ao Deep Sleep.
[ ] 4. Desenvolver a rotina do Relay: Implementar um Duty Cycle orientado à escuta, retransmissão rápida de pacotes e retorno ao baixo consumo sempre que possível.
[ ] 5. Integrar a lógica do nó Mobile: Integrar GPS e rádio para permitir que o nó móvel anuncie sua presença, posição e disponibilidade e transporte mensagens entre regiões desconectadas.

Bloco 7 - Segurança, Gateway e Integração Externa

Foco: Proteger a comunicação contra mensagens falsas ou adulteradas e estabelecer a ponte entre a rede ARES e infraestruturas externas.

[ ] 1. Integrar biblioteca criptográfica: Incorporar uma biblioteca como mbedTLS e validar seu funcionamento no microcontrolador escolhido.
[ ] 2. Implementar criptografia e autenticação: Utilizar mecanismos como AES-128/256 e autenticação de mensagens para garantir confidencialidade, integridade e autenticidade dos Payloads.
[ ] 3. Desenvolver a ponte IP do Gateway: Criar o mecanismo responsável por retirar mensagens da rede LoRa e encaminhá-las para a pilha TCP/IP disponível via Wi-Fi, Ethernet ou 4G.
[ ] 4. Implementar cliente MQTT/HTTP no Gateway: Desenvolver a publicação assíncrona dos dados recebidos para o servidor em nuvem, incluindo reconexão e tratamento de indisponibilidade.
[ ] 5. Implementar a fila de contenção do Gateway: Permitir que o Gateway assuma temporariamente funções de Storage quando a conexão externa estiver indisponível, armazenando as mensagens até a recuperação do backhaul.

Bloco 8 - Confiabilidade, Atualização Remota e Testes

Foco: Validar a confiabilidade do firmware, detectar falhas antes da implantação física e estabelecer mecanismos seguros de manutenção remota.

[ ] 1. Criar atualização OTA (Over-The-Air) via malha: Desenvolver um mecanismo de distribuição de firmware utilizando a própria rede ARES e o protocolo DTN para transportar os arquivos entre regiões desconectadas.
[ ] 2. Implementar Rollback seguro: Configurar partições A/B ou mecanismo equivalente para permitir o retorno automático à versão anterior caso uma atualização seja interrompida ou apresente falha na inicialização.
[ ] 3. Configurar framework de testes unitários: Integrar ferramentas como Unity ou Ceedling para executar testes automatizados das funções críticas do firmware.
[ ] 4. Escrever testes de Structs e Buffers: Validar serialização, desserialização, alinhamento, limites de memória e integridade do Payload, garantindo que nenhum bit seja perdido ou interpretado incorretamente.
[ ] 5. Escrever testes unitários da fila de prioridades: Inserir conjuntos de mensagens P0 a P4 e verificar automaticamente se a ordem de processamento respeita as regras de prioridade estabelecidas.
[ ] 6. Escrever testes da máquina de estados: Validar as transições entre papéis e garantir que cada mudança ocorra exatamente nas condições e limiares definidos pela arquitetura.
[ ] 7. Executar análise estática de código: Integrar ferramentas como Cppcheck ao CI para identificar possíveis vazamentos de memória, ponteiros inválidos, acessos fora dos limites, condições perigosas e demais problemas de qualidade.
[ ] 8. Realizar Code Review e congelamento do firmware: Revisar a implementação completa, consolidar a versão candidata, gerar os binários necessários e preparar o firmware para a Etapa 4 - Prototipação de Hardware.