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COMUNICAÇÃO ENTRE LAGOA E ETA
1. INTRODUÇÃO
RESUMO
Esse projeto tem por objetivo elaborar um mecanismo de conexão sem fio, onde seu custo seja baixo, proporcionando ganho de produtividade e otimizando tempo dos colaboradores. Utiliza-se a tecnologia LoRa, um meio de comunicação sem fio, onde deve-se controlar uma bomba d’água, automatizando seu acionamento em uma distância de quinhentos metros e podendo chegar a uma distância de no máximo cinco mil metros.
Palavras-chave: 1 – Tecnologia. 2 – LoRa. 3 - Wireless
Bacharelado em Sistema de Informações Período: 6º Orientadora: Profº Espc. Fábio Garcez Bettio Autores: GABRIEL JESUS DOS SANTOS MATHEUS DE JESUS BARCELLOS BICCA PAULO RICARDO VERONES MORETTO RONALDO PAROSKI
A Revolução Industrial iniciada no século XVIII trouxe transformação nos meios de
produção, modos de produção anteriormente artesanais passaram pelo processo de automação,
resultando no aumento dos meios produtivos que consequentemente trouxeram a popularização
de produtos aliados com a redução no preço final do mesmo. Contrariando o pensamento da
época, esse processo de automação não afetou negativamente a oferta de empregos oferecidos à
população, pelo contrário, o crescimento econômico gerado aqueceu a produção da época,
resultando numa maior demanda por mão de obra que consequentemente acarretou num êxodo
dos trabalhadores rurais para a cidade, gerando uma explosão demográfica nos grandes centros
urbanos.
Sabe-se que a história não se resume a isto apenas, que nem tudo foi perfeito durante o
processo de industrialização vitoriana, porém é inegável que o acréscimo de máquinas aos meios
de produção foi o fator de maior importância do século XX. Atualmente a tecnologia têm se
tornado mais acessível do que nunca, a automação é parte da vida moderna, estando presente
em nossa comunicação, no grande poder computacional portátil que carregamos, até a
geolocalização disponível em qualquer parte do planeta, entre outros recursos que utilizamos
diariamente sem notar o valor produtivo atrelado aquilo.
O incremento tecnológico causou saltos de desenvolvimento exponenciais, a automação é
uma realidade nos meios produtivos e também tornou-se uma exigências para que empresas
sejam competitivas, da área da construção civil a produção de microprocessadores, a automação
de processos é o fator essencial para que o processo fabril seja eficiente o suficiente para ter um
alto índice de produtividade aliado a baixo custo de manufatura. Atualmente a automação está
acessível para pequenos e médias empresas, como também está disponível ao indivíduo que
necessite de algum grau de automação em suas atividades. Neste cenário este trabalho tem
como objetivo colocar em prática os conhecimentos adquiridos durante a graduação para atender
especificamente a necessidade do projeto apresentado pela cooperativa COASUL (Cooperativa
Agroindustrial), onde é necessário a melhoria no processo de controle de uma bomba d'água que
é
utilizada para fornecer água a uma cisterna de armazenamento que faz parte do processo
de tratamento de água.
Hoje é necessário que um funcionário gaste minutos em deslocamento para o
controle manual das bombas, esse funcionário precisa ainda vistoriar o funcionamento do
sistema e aferir de forma manual o nível das cisternas com fim de controlar o tempo de
funcionamento do sistema, esse processo é repetido de maneira constante durante o dia
para garantir o pleno funcionamento do sistema, além de evitar o transbordamento da
cisterna pelo excesso de água. Esse processo além de ser todo manual e pouco produtivo,
coloca em risco a segurança do funcionário, visto que existe riscos de ataque de animais no
caminho até o local e acidentes no manuseio do equipamento. Em resumo o projeto utiliza
microcontroladores interligado com sensores que farão o controle do funcionamento das
bombas, otimizando o processo pela dispensa o controle manual, e adicionando
funcionalidades para adquirir uma base de dados que podem ser usadas para decisões
futuras.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. FUNDAMENTAÇÃO DO NEGÓCIO
2.1.1 Processo Atual
Para o processo de decantação da água utilizada pela cooperativa de modo geral em
seus serviços, é interligada uma ETA (Estação de Tratamento de Água) com uma lagoa
localizada a 500 metros da estação, lá eles mantêm um sistema de bombeamento de água
para tratamento. Atualmente um operador desloca-se até a lagoa, para realizar o
acionamento de duas bombas de água manualmente realizando esse percurso a pé ou com
um veículo, desta forma, além do gasto com combustível e manutenção do automóvel,
existe o tempo que o operador leva para ir até o local, tempo esse que poderia ser utilizado
para realização de outras atividades. Quando a pé, o operador leva em torno de 20/30
minutos para ir e voltar; de carro, de 15/20 minutos.
Acionando as bombas, juntas possuem uma vazão de água de 180.000 m³/h em uma
cisterna, onde esta, suporta 2.340.000 litros de água.
Esse processo leva cerca de 13 horas para encher a cisterna e o operador deve
analisar visualmente para desligar o bombeamento de água, fazendo isso, e visto que está
no limite, o operador deve deslocar-se novamente até a lagoa para fazer o desligamento das
bombas.
No trajeto de deslocamento o funcionário está exposto a riscos de acidentes e
ataques de animais peçonhentos, pois as bombas estão em um local de difícil acesso, além
de que no processo de acionamento das bombas existem ainda riscos com o mecanismo em
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si. Ciente dos riscos e com intuito de aumentar a produtividade a cooperativa está buscando
melhorias desde 2010 e o funcionamento da ETA vem gerando para a cooperativa uma
grande economia.
2.1.1.1 Estações de Tratamento De Água
As estações de tratamento de água, conforme exemplo na FIGURA 1, utilizam de
filtros e produtos químicos para limpeza da água. Para este processo, são necessárias as
seguintes etapas para o tratamento:
● Coleta de água a ser tratada: Água é captada e colocada em tanques de tratamento
● Tanque para adição de produtos químicos: A água captada é escoada através de
bombas para tanques nos quais recebem a adição de sulfato de alumínio –
AI2(SO4)3 – e de hidróxido de cálcio – Ca(OH)2 que atuam como agentes floculantes.
● Floculação: Na sequência a água é enviada para câmaras de floculação, onde o
sulfato de alumínio e o hidróxido de cálcio geram, para o meio, hidróxido de
alumínio – AI(OH)3 -, que é pouco solúvel e forma um gel na superfície da água.
● Decantação das impurezas sólidas não-solúveis: Essa mistura é dirigida para tanques
chamados decantadores. Nesses recipientes, o gel formado decanta, arrastando
para o fundo do tanque as partículas em suspensão na água. A água, já livre de
algumas impurezas, é retirada pela parte superior dos tanques e encaminhada a
reservatórios, que dão sequência ao tratamento.
● Filtração: A água que passou por todo esse tratamento é dirigida a tanques de
filtração. Nesses tanques, ela passa por uma camada filtrante, formada por areia
fina, areia grossa, cascalho, pedregulho e carvão ativo.
● Cloração: Nos reservatórios, a água recebe a adição de pequena quantidade de cloro
– Cl2. Essa substância, em concentrações pequenas, elimina os micro-organismos
patogênicos presentes. A água também recebe pequenas quantidades de fluoreto
de cálcio – CaF2 – ou de fluoreto de sódio – NaF -, substância utilizada com a
finalidade de diminuir a incidência de cáries dentárias na população.
● Teste final: A água que passou por todas essas etapas de tratamento é submetida a
testes de aparência, de pH e de porcentagem de resíduos sólidos, dentre outras
análises. Em algumas estações de tratamento, parte da água tratada é usada para
alimentar um aquário contendo várias espécies de peixes. Essa é uma forma de
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monitorar constantemente o seu grau de potabilidade. Segue esquema abaixo de
ilustração de todo o processo.
FIGURA 1: Ciclo do Tratamento Da Água
Fonte (https://www.coladaweb.com/quimica/quimica-ambiental/estacao-de-tratamento-
deagua-eta)
2.2 FUNDAMENTAÇÃO DAS TECNOLOGIAS
A tecnologia está sendo inserida cada vez mais em processo de manufatura,
automatizando-os e substituindo os humanos de tarefas consideradas perigosas e
desgastantes. Com isto, a necessidade da cooperativa em melhorar seus processos chamou
atenção da equipe desenvolvedora do projeto, e a necessidade de pesquisa para de atender
e adequar ao que a COASUL necessita gerou fundamentação do que foi utilizado e meios
que foram desconsiderados.
2.2.1 Arduino
Máquinas ou dispositivos físicos cujo projeto é disponibilizado ao público de modo
que qualquer um pode construir, modificar distribuir e utilizar estes artefatos, esta é a
definição de “Open Hardware” segundo a Open Source Hardware Association (OSHWA),
uma organização sem fins lucrativos que certifica dispositivos Open Hardware visando
oferecer um processo simplificado aos desenvolvedores indicando que seus produtos se
enquadrem em um padrão. Para a OSHWA o projeto precisa seguir alguns critérios para ser
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considerado Open Hardware como a distribuição da documentação do projeto e
documentação necessária para modificação e distribuição de novas versões, não exigir
direito autorais de produtos derivados, entre outras.
No projeto será utilizado o Arduino Uno (ilustrado na FIGURA 2), uma placa com
microcontrolador ATmega328 de 8 bits operando até 16MHz, 2 KB de RAM, 14 pinos
digitais, 6 pinos analógicos, possui comunicação serial nos pinos digitais 0 (RX) e 1(TX), dois
pinos de alimentação que fornecem tensão de 3,3 V e 5 V respectivamente, comunicação
digital pela conexão USB da placa, entrada de alimentação e um botão de reset. Criado em
2005 com o objetivo de disponibilizar uma plataforma padrão de prototipação que fosse
funcional e fácil de programar, focado no baixo custo para ser acessível tanto para
estudantes quanto para projetistas, hoje o Arduino é o meio mais popular para ensino ou
desenvolvimento de prototipagem, implementação ou controle de sistemas. Na FIGURA 2
mostra o microcontrolador Arduino UNO utilizada no projeto.
FIGURA 2: Arduino Uno
Fonte (https://cdn.awsli.com.br/600x450/550/550647/produto/20910980/6dc5bafab6.jpg).
O Arduino pode ser integrado com vários modelos de componentes ou sensores que
expandem a funcionalidade da placa controladora, um componente é conectado a placa
pelas portas digitais ou analógicas que farão a comunicação com esse componente, a
alimentação deste componente é através dos pinos de alimentação. Um módulo expansivo
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geralmente é uma placa que contém sensores ou atuadores além de componentes
auxiliares como LED’s, capacitores e resistores.
Essa placa é composta com 14 pinos de entrada e saída digital (dos quais 6 podem
ser usadas como saídas PWN), 6 entradas analógicas, um cristal de 16MHz, uma conexão
USB, uma entrada de alimentação uma conexão ICSP e um botão de reset. Ele contém todos
os componentes necessários para suportar o microcontrolador, simplesmente é conectado
a um computador pela porta USB ou alimentar com uma fonte ou uma bateria e tudo
pronto para funcionar.
2.2.2 Comunicação Sem Fio
Dentre as várias possibilidades de expansão do Arduino através de seus módulos, a
comunicação sem fio a longas distâncias é uma realidade disponível por um baixo custo, a
definição da tecnologia utilizada é definida pelas características do projeto, custos, distância
e quantidade de dados que se deseja transmitir. As possibilidades de automação de
processos são diversas, com a possibilidade de coleta de dados em tempo real e controle de
processos de forma automatizada.
Wireless significa “sem fio”, esta tecnologia é baseada na transmissão e recepção de
ondas eletromagnéticas que se propagam pelo espaço com um número de oscilações por
segundo denominado frequência, para esta transmissão ocorrer, é utilizando antenas e
receptores em uma determinada distância entre dispositivos, sendo possível enviar e
receber dados. A comunicação sem fio é dividida por alguns meios específicos, como
transmissão por micro-ondas, em infravermelho, via luz, por satélite e por rádio, esta, foi
utilizado no projeto através do módulo LoRa. A comunicação Wireless é comumente
utilizada para comunicação remota, ela compreende vários tipos e padrões de redes como o
Bluetooth e Wi-FI (Tse, David, 2004), abrangendo vários dos componentes que podem ser
utilizados como meio de comunicação entre eles, possuindo diversas soluções para
diferentes projetos.
2.2.2.1 Tecnologias Estudadas
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Para a decisão da utilização de qual tecnologia sem fio em função de desenvolver
uma solução para a Cooperativa, procurou-se por módulos que atendiam os requisitos do
projeto proposto pela mesma, como inviabilizar o deslocamento humano até as bombas
pressurizadas, substituindo esse método mecânico e desgastante para uma solução mais
tecnológica sendo remota ou automática(esta, não exigida pela cooperativa, mas colocado
em discussão pela equipe desenvolvedora em função de aumentar a produtividade)
diretamente da ETA (Estação de tratamento de água); solução que atenda em uma
distância em torno de 500 metros com obstáculos, como mato, árvores e morros;
desconsiderar utilização de fios entre a estação e as bombas diretamente, como já cotado
pela cooperativa tem um alto custo por conta da distância; e como visto no requisito
anterior, o custo-benefício deve ser prevalecido.
Abaixo, alguns dispositivos que foram pesquisados, mas não foram utilizados,
abordado junto o motivo de não atenderem às especificações do projeto.
2.2.2.1.1 Módulo NRF24L01
Módulo representado na FIGURA 3, é um transceptor Wireless que transmite na
frequência de 2.4GHz, possui baixíssimo consumo de energia com uma taxa de transmissão
de até 2Mbps. Seu alcance é inversamente proporcional a taxa de transmissão, sendo que
seu alcance máximo só é possível transmitindo a 250Kbs, tendo como situação oposta o
menor alcance em sua taxa de transmissão máxima, podendo chegar a uma distância
aproximada de 100 metros, assim, não atendendo o fator de distância requerido no objetivo
do projeto, tornando-se inviável sua utilização.
FIGURA 3: Módulo NRF24L01
Fonte (http://modtronix.com.au).
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2.2.2.1.2 Módulo RF 433MHz
Componente (FIGURA 4) transmite dados em Radiofrequência, sua comunicação é
feita por dois componentes em sentido único, esta é a maior desvantagem deste módulo
onde um componente transmite e o outro recebe os dados (conforme imagem abaixo). Seu
alcance pode chegar a 200 metros, podendo variar conforme a tensão de alimentação (de
3,5 a 12v), tem como ponto forte o baixo consumo de energia e baixo custo, como ponto
fraco o componente permite envio numa única direção e possui baixa taxa de transmissão
de dados. Este, como o módulo anterior, não tem uma distância de transferência de dados
que atenda a distância requerida pela cooperativa.
FIGURA 4: Módulo RF 433MHz
Fonte (https://www.filipeflop.com).
2.2.2.1.3 Módulo HC-12
O HC-12, representado na FIGURA 5, permite a comunicação entre longas distâncias,
seu alcance pode chegar próximo dos 1000 metros de distância, transmitindo em
frequências de 433.4 à 473 MHz, utiliza interface serial para se comunicar com o
microcontrolador, é um módulo de fácil utilização que se integra com diversos componentes
diferentes.
A comunicação serial é amplamente utilizada em diversos dispositivos, sendo uma
das formas mais comum de integração de equipamentos, essa comunicação ocorre através
da transmissão de informações bit a bit sequencialmente por uma única via com uma
distância máxima de transferência de 1000 metros, porém diminuindo o alcance se houver
obstáculos no caminho. Essa característica permite a integração deste módulo a diversos
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dispositivos compatíveis com interface serial sem a necessidade de um microcontrolador
como intermediário.
FIGURA 5: Módulo HC-12
Fonte (https://www.arduinoecia.com.br).
2.2.2.1.4 Módulo XBEE S2C ZIGBEE
O módulo ZigBee, ilustrado na FIGURA 6, trabalha com frequência de 2.4 GHz com
uma taxa de transmissão de até 250 Kbps numa distância que pode passar de 1000 metros
em áreas abertas, sendo uma boa opção de conectividade wireless para circuitos eletrônicos
e aplicações onde o consumo de energia é um fator crítico. Têm como diferencial ser
certificado pela Anatel (Agência Nacional de Telecomunicações) o garante que o
equipamento está dentro das especificações definidas pela agência, por outro lado seu alto
custo pode dificultar a implantação desse componente no projeto.
FIGURA 6: Módulo XBEE S2C ZIGBEE
Fonte (https://www.filipeflop.com)
2.2.2.2 Tecnologia Utilizada
Dentre as pesquisas sobre módulos a ser utilizado, encontrou-se o módulo LoRa
433Mhz, considerada adequada sua utilização para a solução no projeto, atendendo os
requisitos de distância e custo-benefício proposto pela cooperativa.
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Abaixo é apresentado o módulo de uma forma mais completa.
2.2.2.2.1 Módulo LoRa 433Mhz
A tecnologia LoRa (Long Range) é uma das mais novas tecnologias de rádio
frequência criada pela empresa Semtech, já presente em muitos países da Europa possui
como principais características seu longuíssimo alcance e baixa potência, e com um preço
acessível. Entre os módulos é o que possui o maior alcance, podendo passar dos 10
quilômetros em áreas abertas, possui como desvantagem a baixa capacidade de
transferência de dados (2.4Kbps). Além disso por possuir uma especificação de camada
lógica mais fácil de organizar o envio da informação.
Seu funcionamento baseia-se em uma rede na topologia estrela, assim sendo similar
a uma rede de celular. Suas principais aplicações são sistemas de IoT(internet das coisas)
como sensores e monitores remotos( pressão, luz, on-off, temperatura, etc.), sobretudo
aqueles operados a bateria, de mensagens curtas de status que sejam fácil ou difícil acesso.
Este módulo é resistente a interferência e permite a recuperação do sinal muito mais
eficiente que outros métodos. Para se ter uma concepção, é possível recuperar um sinal de
20dB abaixo do nível do ruído. E aí está o grande segredo das comunicações LoRa irem tão
longe com baixas potências.
Muito utilizado em conjunto com sensores enviando dados para servidores, seu
baixo consumo de energia permite seu funcionamento por longos períodos sendo
alimentado apenas por baterias. Esta tecnologia não é vista como uma substituição das
soluções de comunicações atuais, ela chega como um processo complementar e não
substituto. Algumas limitações do LoRa são, por exemplo, o fato de não poder ser usada
para geoposicionamento visto que sua acurácia é menor do que a do GPS.
FIGURA 7: Módulo LoRa 1278 433MHz
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Fonte(https://www.dnatechindia.com).
Contudo, para auxílio de uma tomada de decisão em escolher dentre os módulos
pesquisados, a equipe organizou em uma tabela com informações técnicas de cada módulo,
comparando uns com os outros, colocando o foco nas exigências da cooperativa como baixo
custo de equipamentos e serviços necessários e consideração da distância necessária para o
funcionamento do processo.
Segue abaixo, a tabela, considerando de cima para baixo, a primeira a melhor
solução e a última menos provável.
TABELA 1: Comparação entre os equipamentos procurados
2.2.3 Medindo o Nível da Cisterna
Na automatização do processo de controle do nível de água do reservatório,
pesquisou-se por tecnologias que transmitisse informações com base na proximidade. A
distância entre água e o módulo, será programada para acionar o ligamento e o
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desligamento das bombas automaticamente de acordo com as especificações do quão cheio
e o quão vazio é permitido a tanque ficar.
2.2.3.1 Módulo Sensor de Distância Ultrassônico HC-SR04
Esse sensor, ilustrado na FIGURA 8, é capaz de medir distâncias de 2cm a 4m com
ótima precisão, este módulo possui um circuito pronto com o emissor e receptor acoplados
com 4 pinos. Para iniciar sua funcionalidade é necessário alimentar o módulo e colocar o
pino trigger em nível alto por mais 10 us. Sendo assim, o sensor emitirá uma onda sonora
que ao encontrar um obstáculo, rebate de volta em direção ao módulo. Durante o tempo de
emissão e recebimento do sinal, o pino Echo ficar em alto nível.
FIGURA 8: Módulo Sensor de Distância Ultrassônico HC-SR04
Fonte: (https://meetarduino.files.wordpress.com)
2.2.3.2 Módulo Sensor de Distância VL53L0X
Este sensor é um módulo eletrônico de alta precisão, suas funcionalidades é capaz
de fazer medições de distâncias com mínima margem de erro se comparado a outros
sensores existentes, seu funcionamento é simples, quando em operação ele envia um laser
invisível a olho nu, onde este é refletido e volta, fazendo com que o sensor consiga medir
com exatidão o tempo de resposta.
Possui integrado em seu interior um CI STM32 de forma a eliminar as comunicações
complexas, ele apresenta diversas possibilidades de forma de comunicação, incluindo saída
serial, saída PWM e I2C, assim facilitando a utilização com microcontroladores.
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Por apresentar melhor precisão mesmo em longas distâncias, mas pelo preço não foi
aplicado no protótipo, porém é a melhor solução para a cisterna, segue abaixo a FIGURA 9
representando o VL53L0X.
FIGURA 9: Módulo Sensor de Distância VL53L0X
Fonte: (https://www.filipeflop.com)
2.2.4 Módulo RTC DS1307
Este módulo tem um componente muito útil para montar algum tipo de relógio com
o microcontrolador Arduino, acionar alarmes e assim executar ações em horários
predeterminados. Ele apresenta 56 bytes de memória não-volátil disponível para uso, é
capaz de armazenar e fornecer informações completas de data como dia da semana, dia do
mês, ano, e apresentando funções de horas, minutos e segundos, nos diferentes formatos
de 12 ou 24 horas. Segue abaixo na FIGURA 10 módulo RTC.
FIGURA 10: Módulo RTC DS1307
Fonte: (/https://www.filipeflop.com)
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2.2.5 Módulo Relé 5V 1 Canal
Com este módulo (representado na FIGURA 11) pode-se ter autocontrole de
equipamentos utilizando um pino de controle, já que seu circuito a ser alimentado fica
completamente isolado do circuito do microcontrolador, tendo fácil utilização com Arduino.
Este módulo funciona com tensão de 5V, e pode acionar cargas de até 250 VAC ou
30 VDC, suportando uma corrente máxima de 10A. Ele apresenta um LED indicador de
energia, 2 pinos de energia e 1 de controle, além do borne de saída com parafusos,
facilitando a conexão dos equipamentos.
FIGURA 11: Módulo Relé 5V 1 Canal
Fonte: (/https://www.filipeflop.com)
2.2.6 Sensor de Luminosidade LDR
Este sensor, visualizado na FIGURA 12, é um componente cuja resistência varia de
acordo com a intensidade da luz, quanto mais luz incidir sobre o componente, menor será a
resistência. Ele pode ser utilizado em projetos com Arduino e microcontroladores para
alarmes, automação residencial, sensores de presença e outros. Ele é frequentemente
utilizado nas chamadas fotocélulas que controlam o acendimento de poste de iluminação e
também é bastante utilizado em sensores fotoelétricos.
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FIGURA 12: Sensor de Luminosidade LDR
Fonte: (/https://www.filipeflop.com)
3.TRABALHOS RELACIONADOS
3.1 SISTEMA DE MONITORAMENTO DO RIO ITAJAÍ PARA PREDIÇÃO DE ENCHENTES.
Neste sistema é apresentado um protótipo para monitoramento do rio, onde foi
utilizado um sensor infravermelho Sharp, uma placa microcontroladora (Arduino Uno),
Shield de Ethernet para o Arduino, e antenas e cabos para enviar os dados e recepção dos
mesmos na sede. Neste projeto utilizou-se uma boia, um pluviômetro eletrônico, um
Arduino, um sensor Sharp e uma régua de acrílico para ser demarcado os pontos de
metragem. Um computador no local foi utilizado para recolher os resultados via
transferência USB. Os dados foram recolhidos, no período de uma hora, em Ituporanga e os
resultados obtidos foram satisfatórios ao existente no sistema CEOPS.
3.2 SISTEMA DE MONITORAMENTO NÍVEL DA ÁGUA COM MULTISENSORES.
Este trabalho apresenta o processo de desenvolvimento do WIDAS (Wirelles Data
Acquisition System), onde se trata de um sistema de monitoramento de nível de água com
multisensores. Ele possui um microcontrolador (ATMega8L), um dispositivo de exibição de
dados e um sensor de distância ultrassônica (Parallax Ping). O sistema wireless obtém as
leituras dos sensores e dispositivos digitais e analógicos em determinado tempo através de
sua comunicação do módulo de RF (Tx-RX). Apesar do Widas ser um projeto simples,
flexível, e de baixo custo, que se apresentou confiável nas medições realizadas, ele não lida
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com a pilha TCP/IP e o protocolo HTTP, ou seja, o mesmo não possui um sistema baseado na
Arquitetura Cliente Servidor.
3.3 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DE NÍVEL PARA
REAPROVEITAMENTO DA ÁGUA.
Neste, apresenta um sistema de controle automático e reaproveitamento da água,
utilizando um microcontrolador Arduino. O sistema apresenta reaproveitamento da água
gerada, principalmente o da máquina de lavar, sendo reutilizada pela mesma, e também
sendo usado nos vasos sanitários e para limpezas de calçadas. Neste sistema há uma
eletrobomba sendo conectada a um reservatório inferior, que faz com que o abastecimento
do reservatório superior seja realizado conforme o nível desejado, também apresenta
sensores de leituras dos níveis, display que informa os níveis e possíveis erros do
funcionamento, eletroválvula para abastecimento com água que vem da distribuidora,
abastecendo o reservatório superior se for necessário. Apresenta-se o resultado em uma
lavadora de roupas que seu consumo varia entre 100 e 120 litros por ciclo, com esse
projeto, o consumo de água de uma residência diminuirá consideravelmente. Com o
resultado esperado, há um melhor controle e gerenciamento do consumo de água, assim
resultando numa economia significativa para os usuários, tanto quanto o desperdício de
água.
4. DESCRIÇÃO DO SISTEMA
4.1 DESCRIÇÃO DO SISTEMA ATUAL
Atualmente a cooperativa necessita de que seus funcionários acionem bombas de
água pressurizadas manualmente numa estação de tratamento de água, armazenando-a em
uma cisterna, isto implica uma mão de obra perigosa, desgastante e com desperdício de
tempo desnecessário, já que a ETA é consideravelmente longe do local onde é localizada a
COASUL. O caminho até a estação é de difícil acesso obtendo como obstáculos, mato,
árvores, rochas, morros e animais. Na realização desta tarefa, um colaborador precisa ir
através de um tempo médio estabelecido depois do último preenchimento para realizar o
processo novamente, isto acontece por não obterem nenhum sistema que indica a
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necessidade do deslocamento até o local, portanto, desloca-se até a estação a pé ou com
auxílio de um veículo (caso disponível). Chegando ao local, o colaborador visualiza o quão
vazio está o reservatório e tira uma média de quanto tempo precisa que as bombas fiquem
ligadas. Ligando-as, retorna para a cooperativa já que para encher a cisterna, geralmente
leva um tempo entre 12 e 13 horas dependendo do quão vazio estava a cisterna. Passado o
tempo definido, o colaborador volta para a ETA, verifica o grau de preenchimento do
tanque, e desliga as bombas e retorna para a cooperativa. Para esvaziar a cisterna leva cerca
de 48 a 72 horas dependendo do uso, assim precisando repetir o mesmo processo descrito
depois desta média de tempo.
Esta água armazenada é utilizada para uso em geral na cooperativa, como lavagem
de grãos/sementes, na produção, no abatedouro, entre outros.
Por visualizarem a necessidade da mudança deste processo para algo mais prático e
barato, recorreram a plataforma GP Inovação onde empresas que precisam de soluções
tecnológicas em seus processos de trabalho, descrevem os problemas, e alunos que cursam
na área de tecnologia juntamente de auxílio de outras áreas, desenvolvam alguma solução
eficaz dentro das especificações estabelecida. Com isto, a cooperativa solicita um sistema
com custo baixo e que desconsidere o deslocamento, sendo um processo que possa ser
realizado remotamente, ou até mesmo automaticamente.
4.2 DESCRIÇÃO DO SISTEMA PROPOSTO
O sistema é responsável por controlar a automação das bombas, a fim de definir o
nível da água, podendo utilizar o processo de decantação para tratamento de água. Assim
excluindo o perigo para pessoas que realizam este processo, reduzindo o gasto de
combustível, melhorar o aproveitamento de tempo que o operador leva em deslocar-se do
local de trabalho até a estação para ligar os equipamentos, e automatizar todo o processo,
assim aumentando a produtividade.
Utilizou-se um conjunto de microcontroladores do modelo Arduino Uno para
constante monitoramento e controle do sistema de bombas, o microcontrolador fica na
ETA, sendo alimentado pelo sistema de energia já existente no local. O processo de decisão
leva em conta os dados fornecidos por sensores modulares, que estão ligados ao
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dispositivo, nesse processo leva-se em consideração três fatores: Volume da cisterna,
horário e turbidez do líquido.
São dois sistemas de controle separados com funcionamento distinto, porém ambos
manterão uma comunicação constante via sistema LoRa. O primeiro é denominado
“Controlador” ilustrado na FIGURA ** que é responsável por controlar o funcionamento das
bombas e colher dados do funcionamento de todo o sistema, o segundo é responsável por
receber as informações sobre o funcionamento do sistema de forma remota e enviar as
informações recebidas para o sistema Web onde um funcionário pode monitorar o
funcionamento de todo o sistema, este, foi denominado como “Administrador” ilustrado na
FIGURA **.
FIGURA 13: Controlador
Fonte: Autor utilizando o Fritzing (para design de hardware eletrônico)
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FIGURA 14: Administrador
Fonte: Autor utilizando o Fritzing (para design de hardware eletrônico)
Na parte do controlador, o microcontrolador é alimentado com informações sobre o
nível do reservatório através de sensores que serão instalados dentro da cisterna,
inicialmente pensou-se em utilizar sensores analógicos que utilizam um sistema de capacitor
e boia para obter a leitura de nível de determinado reservatório. Esta opção foi descartada
por apresentar baixa precisão e não obter dimensionamento suficiente para obter leituras
precisas de um reservatório do tamanho utilizado pela COASUL. Para lidar com reservatório
de grande dimensão a solução teve que fugir do convencional, com fim de aliar simplicidade
com precisão, então, foi escolhido para o projeto um sensor capaz de medir a distância do
nível da água até o ponto de referência na parte superior do reservatório. Tendo a leitura
através do nível requerido do líquido dentro do reservatório aliada às dimensões do
reservatório, é possível obter o volume preciso em tempo real do reservatório por meio do
cálculo do volume de um cilindro. O projeto foi utiliza um módulo de ultrassom que possui
precisão aceitável para as dimensões do protótipo, porém na implantação da planta de
tratamento em tamanho real serão utilizados sensores mais precisos e dimensionados para
o tamanho da cisterna, como por exemplo o sensor de distância que utiliza laser.
Outro problema era evitar que todo o sistema funcionasse em horário que não
houvesse supervisão de um funcionário, para casos de problemas apresentados pelo
sistema ou algum problema semelhante. Para isso foi adicionado ao projeto um módulo
RTC, que fornece ao microcontrolador dados de hora e data, assim foi possível implementar
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ao processo decisório restrições sobre horário de funcionamento do sistema, outra
vantagem com este módulo, é que as informações colhidas pelo protótipo possuem uma
marcação temporal que auxilia na análise dos dados colhidos pelo sistema, por exemplo,
através de análise será possível identificar os dias onde o sistema é mais exigido, algum
problema no funcionamento das bombas através da alteração do tempo necessário para
encher a cisterna, entre outros.
Com intuito de melhorar e acrescentar funcionalidades extras que melhoram o
controle do tratamento adicionou-se uma nova função com um sensor de luminosidade que
complementa o projeto, ele aliado a um LED fica responsável por proteger o funcionamento
das bombas. Explicando o funcionamento, o sensor de luminosidade e o LED são instalados
em posições oposta, o LED tem a função de ser uma fonte de luz constante para o sensor de
luminosidade, esse conjunto pode ser instalado no rio onde a água é captada ou na entrada
de alimentação da cisterna, a partir da obtenção de uma leitura padrão é possível detectar o
aumento da turbidez da água causado pela diminuição da luz captada pelo sensor. Caso haja
contaminação da captação por lama, por exemplo, a leitura de luz obtida pelo sensor irá
diminuir, criando assim um “sinal de alerta” no processo decisório da programação que irá
interromper o funcionamento do sistema e emitirá um aviso para o sistema do
administrador.
Baseando-se nos dados colhidos o conjunto denominado “Controlador” gere o
funcionamento do sistema de bombas através de um módulo relé ligado na alimentação do
sistema de bombeamento, como obteve-se acesso ao local e aos aparelhos utilizados, esta
foi uma solução alternativa que serve para qualquer sistema, o módulo relé funciona
através da interrupção ou não da alimentação de energia elétrica, basicamente é como se
estivesse colocando ou retirando as bombas da tomada, futuramente é possível integrar
todo o sistema no próprio painel de controle das bombas, ligando os circuitos elétricos e
tendo mais controle sobre o conjunto.
As informações colhidas pelo Controlador, assim como seu status de funcionamento,
são enviadas para o Administrador via comunicação pelo módulo LoRa. Durante o
funcionamento a rotina do microcontrolador envia as informações via comunicação serial
para o módulo LoRa, que por sua vez converte o conteúdo recebido para protocolo de
comunicação próprio e os transmite via radiofrequência. O sinal de rádio chega no sistema
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do Administrador e recebe o tratamento contrário, tratando o conteúdo recebido e
enviando via comunicação serial para o microcontrolador.
TABELA 2: Descrição dos problemas e soluções
PROBLEMA IMPACTO SOLUÇÃO
Funcionários precisam ir até a
estação de tratamento. Perigo no caminho,
desperdício de tempo, gastos
com manutenção e
combustível do veículo.
Módulo que envia e recebe
dados de ativação da bomba a
distância por radiofrequência.
Funcionários não têm controle
do nível da água.
Necessita ver a olho o nível da
água na cisterna. Sensor que verifica o nível de
água e envia dados para o
sistema web onde têm acesso
a informações.
Funcionários precisam ligar e
desligar bombas
manualmente.
Necessidade de deslocamento
até a estação duas vezes no
mesmo processo e perigo de
choque no acionamento do
mecanismo.
Acionamento automático em
troca de dados entre os
microcontroladores de acordo
com informações dos
sensores.
Funcionários não têm controle
sobre a turbidez da água
armazenada.
Não tem como controlar a
necessidade da quantidade de
utilização dos recursos para
tratamento da água
armazenada.
Sensor que envia dados sobre
o grau de turbidez da água.
Necessidade de um controle
de hora e data.
Não há como analisar
precisamente dias e horários
com base nos intervalos de
acionamentos, a quantidade
de água utilizada de acordo
com o esvaziamento da
cisterna.
Módulo que enviar dados de
horário e data sobre ações do
sistema.
4.2.1 Desenvolvimento do Sistema
Para captação das informações obtidas pelo dispositivo desenvolvido, desenvolveu-
se um sistema web em JavaScript junto com Node.js, HTML5 e CSS3 onde trata e mostra os
dados informativos recebidos sobre o nível de preenchimento da cisterna, a turbidez da
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água armazenada e horário das ações realizadas pelo controlador. Essas informações são
mostradas em um gráfico (exemplo na FIGURA 13), em tempo real, adicionando
simplicidade e fácil dedução dos dados recebidos pelo dispositivo Administrador.
FIGURA 13: Gráfico de gerenciamento da cisterna.
Fonte: Autores
4.2.1.1 Front-end
Javascript foi criada na Netscape na fase inicial da Web. Na última década,
praticamente todos os navegadores interpretam Javascript. É uma linguagem dinâmica,
orientada a objetos e criada com sintaxe similar à linguagem C. Uma linguagem de script
tem a funcionalidade de ser executada no interior de programas ou de outra linguagem de
programação, funcionando assim como uma interação, toda a parte de lógica da página que
está sendo desenvolvida. O javascript foi implementado para comunicação com o back-end
recebendo dados tratados por ele.
HTML5 é uma abreviação de Hypertext Markup Language, ou seja, Linguagem de
Marcação de Hipertexto, resumindo é uma linguagem usada para a publicação de conteúdo
na Web. CSS3 usado para colocar estilos dentro de uma página Web, com efeitos de
transição, imagem de background. Pode-se aplicar diferentes layouts a partir de um único
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arquivo CSS. Ambos foram utilizados para gerar a interface que servirá para traduzir as
informações recebidas pelo dispositivo.
4.2.1.2 Back-end
Para o back-end foi utilizado o Node.js, este, definido como um ambiente de
execução Javascript server-side, isso significa que é possível criar aplicações para rodar
scripts Javascript como uma aplicação standalone em uma máquina, não dependendo de
um browser para a execução.
Node.js representa uma nova tecnologia em Javascript, é uma plataforma para criar
facilmente aplicativos de rede escaláveis e rápidas, sendo controlado por eventos que o
torna mais leve e eficiente, perfeito para aplicativos em tempo real e com uso intenso de
dados que são executados em dispositivos distribuídos. Ele trata das informações recebidas
via serial, gerando uma ponte com o front-end.
5. CONCLUSÃO
Durante o desenvolvimento do projeto foi possível alocar os conhecimentos
adquiridos durante o semestre com a finalidade de solucionar a demanda apresentada pela
cooperativa rural. Para a implementação foi necessário estudar métodos de automatização
do hardware disponível no sistema de bombeamento, de forma a transformar todo o
processo apresentado num sistema autônomo de controle que fosse independente da ação
humana e que fornecesse mais informações durante todo o processo.
Com sucesso foi desenvolvido um protótipo baseado na plataforma Arduino
totalmente funcional e capaz de gerar o sistema de bombeamento. Antes o funcionário
levava 30 minutos a pé ou 15 minutos com um veículo para ligar a bomba, agora o sistema
desenvolvido realiza o mesmo processo de forma autônoma e independente, capturados
dados sobre o estado do funcionamento da estação de tratamento e os enviando.
Contudo, por não ter tido retorno nos e-mails enviados a cooperativa, não houve
como ter contato direto para obter mais informações sobre o processo e condições do local,
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então, desenvolveu-se o sistema e protótipo com base no entendimento no que foi descrito
por eles na plataforma GP Inovações.
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