SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Dispositivo Medidor versátil

Por Henrique Frank Werner Puhlmann

INTRODUÇÃO

 

Este artigo é parte da série de artigos SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA. Neste artigo será descrita a solução adotada para implementar um Dispositivo Medidor versátil. Para melhor compreensão deste artigo leia antes o artigo técnico “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Descrição do Sistema”.

 

ESPECIFICAÇÕES

 

O Dispositivo Medidor versátil é a porta de entrada para o sistema de medição de consumo de água desenvolvido. Ele possui recursos que permitem medir por meio de sensores o consumo de água em tempo real. Na Figura 1 podemos observar um diagrama simplificado do sistema completo.

Figura 1: Diagrama do Sistema

Observe que o Dispositivo Medidor é instalado em cada ponto de entrega de água, quando possível.

O sistema eletrônico para medição de água deverá atender aos seguintes requisitos técnicos:

  • Ser de baixíssimo consumo;
  • Que opere alimentado por baterias;
  • Fácil troca de baterias;
  • Dimensões reduzidas;
  • Discreto;
  • Permitir a instalação individual nos pontos de entrega de água;
  • Facilmente reconfigurável;
  • Que se comunique com um gateway por meio de uma rede sem fio;
  • Etc.

DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO

 

Ficou decidido que seria realizado um projeto eletrônico customizado para atender a esses requisitos. Inicialmente foi realizada uma pesquisa de possíveis plataformas de desenvolvimento candidatas para o projeto. Essas plataformas deveriam atender aos seguintes requisitos:

  • De baixo consumo de energia (bateria/pilha);
  • Dimensões reduzidas;
  • Estar acondicionado em módulo autônomo por conta do prazo para o desenvolvimento;
  • Possuir interface para contador interno, ou permitir utilizar um externo;
  • Relógio interno de tempo real;
  • Entradas digitais;
  • Interface com rádio no módulo, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee ou LoRa;
  • Bom alcance da comunicação sem fio, mesmo quando operado com baterias;
  • Encapsulamento fácil de ser soldado em placa de suporte desenvolvida no IPT;
  • Possuir kit de desenvolvimento de baixo custo para desenvolver a PoC;
  • Software de desenvolvimento gratuito ou de baixíssimo custo;
  • Kits de desenvolvimento para acelerar o aprendizado e o desenvolvimento propriamente dito;
  • Outros.

Os resultados dessa pesquisa, realizada no início de 2017, encontram-se na Tabela 1. Considerando a velocidade em que surgem novas tecnologias e desaparecem tecnologias aparentemente sólidas, os dados dessa tabela podem estar obsoletos após quase dois anos.

Tabela 1 – Comparativo das plataformas pré-selecionadas

Aplicando os critérios de seleção e alguns critérios internos de investimento em tecnologias inovadoras, foi selecionada a plataforma para o LoPy da Pycom. O LoPY possui internamente módulos prontos para comunicação Wi-Fi, Ble e LoRa. Para maiores detalhes técnicos, consulte o Manual do LoPy [1].

Utilizando essa plataforma como base do desenvolvimento, foi projetada uma placa eletrônica para acomodar a maioria dos critérios pré-estabelecidos. O Dispositivo Medidor, mostrado na Figura 2, é composto por diversos blocos funcionais. Ele é alimentado por pilhas ou baterias recarregáveis, dispostas em gabinete externo e ligado à placa por meio de um conector. A tensão de alimentação passa pelo bloco de Fonte de Alimentação, que basicamente cuida da segurança contra sobrecargas e inversão de polaridade para proteção do Dispositivo. Paralelamente é medido o nível de tensão da bateria para que se possa monitorar a carga da bateria e sinalizar quando a bateria está fraca.

Figura 2: Detalhes do Dispositivo Medidor

Há um módulo integrado, que gerencia o Dispositivo Medidor, e que contém um poderoso microprocessador e módulos de rádio integrados no mesmo bloco (LoPy). Os módulos de rádio permitem a comunicação por meio de Wi-Fi, Bluetooth e LoRa, sendo que a seleção e configuração é simples. Neste projeto foi utilizado um módulo de rádio adicional de comunicação ZigBee do tipo XBee.

Para medir a vazão de água foram selecionados dois tipos de medidores a serem utilizados conforme a necessidade: Uma chave de fluxo, que fecha um contato quando o fluxo de água é maior do que um determinado patamar e um medidor do tipo roda d’água que gera pulsos conforme a água vai passando pelo medidor.

Os pulsos gerados pelo medidor de vazão são acumulados num contador para que estejam disponíveis para leitura quando o microprocessador o solicitar. Foi prevista a inclusão de um detector de pulsos, que gera um sinal ao microprocessador quando houver pulsos vindos do medidor de vazão com a finalidade de acordar o microprocessador, se este estiver “dormindo”. Esse recurso serve para conservar a energia das baterias, e para sinalizar o início e fim do fluxo de água.

Outro recurso disponível no dispositivo são mini chaves programáveis para atribuir um endereço para a placa  e selecionar a configuração para medição usada no dispositivo. A placa resultante do projeto pode ser observada na Figura 3.

Figura 3: Vista da placa do Dispositivo Medidor

As chaves destacadas em amarelo, compõem o endereço atribuído à placa, 32 endereços possíveis (0 a 31). As chaves destacadas em azul correspondem à programação de função de operação da placa, permitindo sinalizar até 8 funções distintas. A seguir, algumas funções já definidas:

  • Medidor de vazão com sensor do tipo roda d’água;
  • Medidor de vazão com sensor de fluxo;
  • Medidor combinado: Fluxo e Vazão;
  • Medidor Especial para vasos sanitários;
  • Contador de pessoas;
  • Datalogger;
  • Reserva;
  • Contador de pessoas sempre ligado.

Obs:   As funções já vêm pré-programadas no firmware desenvolvido para o dispositivo. Não há a necessidade de se programar um novo firmware quando for trocada a função de operação.

O sistema de medição foi instalado na toalete masculina na entrada do prédio 56 do IPT, que é utilizado pelos alunos de mestrado no período noturno, e durante o dia por colaboradores majoritariamente do CIAM e da Secretaria Acadêmica do IPT. Na Figura 4 pode-se observar detalhes da instalação de testes. Note que cada ponto de entrega de água tem um medidor de fluxo de água e uma placa eletrônica associados.

Figura 4: Vista das placas acomodadas numa caixa de proteção e dos pontos monitorados.

Especificação da operação dos Dispositivos Medidores 

Como os Dispositivos Medidores são operados com pilhas ou baterias recarregáveis, eles passam a maior parte do tempo em estado de espera, “dormindo”, consumindo um mínimo de energia até que ocorra um evento. O evento é processado e enviado imediatamente ao concentrador.

Eventos previstos para acordar o Dispositivo Medidor

  • Quando operando na configuração de atuação por chave de fluxo, ocorre a detecção de fluxo de água (Fecha-se o contato);
  • Quando operando na configuração de medição de vazão com medidor do tipo roda d’água, ocorre a detecção de vazão no medidor (Geração de pulsos digitais);
  • Por tempo, a cada 1 Hora após o último evento, para sinalizar que o dispositivo está operacional (Heartbeat), ou num intervalo de tempo menor a ser definido, 15 minutos, por exemplo, quando está operando no modo de Aquisição de Dados;
  • Registro de que o Dispositivo foi Ligado / Religado ou “ressetado” por algum motivo.

 

COMENTÁRIOS

 

O módulo LoPy, quando adquirido, não estava muito maduro. Apresentou diversos problemas ao longo de sua utilização. Só para citar alguns:

  • A corrente consumida no estado de sono profundo (deep sleep) fica em torno de 12 mA;
  • Tivemos diversos problemas com as ferramentas de desenvolvimento de software, travamentos etc;
  • O módulo apresentou um comportamento estranho de alguns pinos de I/O durante as fases de dormir e acordar do estado de deep sleep;
  • O módulo demora entre 2 a 3 segundos para acordar do deep sleep;
  • A memória reservada para os scripts de MicroPython é pequena. Comporta no máximo 32 kBytes de tamanho;
  • A documentação de modo geral é bem precária e a assistência técnica quase nula.

Por outro lado, o sistema se mostrou bastante versátil, poderoso e fácil de programar. Apesar do consumo de corrente elevado, utilizando-se baterias recarregáveis de 2.500 mAH, a carga da bateria dura até 6 dias quando se tem um uso moderado dos equipamentos e no mínimo 2 dias com um uso constante. Atualmente (2018) o LoPy já ficou obsoleto, entrando o LoPy4 em seu lugar. Numa primeira leitura me parece que muitos desses problemas foram corrigidos.

SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA

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Referências

 

Licença Creative CommonsEsta obra, “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE PERFIS DE CONSUMO DE ÁGUA – Dispositivo Medidor versátil“, de  Henrique Frank Werner Puhlmann está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

 

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