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Por Olga Satomi Yoshida e Leonardo Fonseca Larrubia

 

INTRODUÇÃO

 

Este artigo é parte da série de artigos técnicos SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA. Neste artigo serão apresentados alguns resultados reais obtidos durante o projeto. Para melhor compreensão deste artigo leia antes o artigo técnico “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Descrição do Sistema”.

 

ESTUDO DE CASO PRÉDIO 56

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..

Figura 1: Prédio 56 do IPT

Este sistema desagrega, em tempo real, o volume  consumido no toalete por aparelho sanitário, por turno ou hora e por atividade, caracterizando totalmente o consumo de água dos seus usuários, alunos dos mestrados e colaboradores do CIAM. Estas medições podem ser acompanhadas em tempo real na nuvem da Amazon Web Services – AWS,

A seguir são apresentadas as fotos das instalações do sistema de medição na toalete. Na sequência apresenta-se uma série de gráficos descrevendo os perfis de consumo na toalete.

Fotos das instalações e sensores

Figura 2:  Sensores 1,2 e 3,  instalados em 3 mictórios.

 

Figura 3: Sensores 4, 5 e 6, instalados nas mangueiras das torneiras.

 

Figura 4: Sensor no mictório e chave de fluxo.

 

Figura 5: Sensor em uma das torneiras.

 

Figura 6: Sensor contador passagem de pessoas na toalete.

 

Figura 7: Dispositivos medidores protegidos em uma caixa.

 

Figura 8: Dispositivos medidores.

Desagregação do consumo total por aparelho

Figura 9: Desagregação do consumo na toalete por aparelhos.

Perfil do consumo total por dia da semana

Figura 10: Consumo na toalete por dia da semana.

Perfil do consumo por horário

Figura 11: Consumo no toalete por hora do dia.

 

Perfil do consumo por turno

Figura 12: Consumo no toalete por turnos.

 

Base de dados de volumes consumidos dos aparelhos e correlações entre seus perfis de consumo

Este projeto gerou uma base dados referentes aos volumes (quase vazões) consumidos característicos de cada aparelho monitorado. Um resumo desta base é apresentado na Tabela 1, onde para cada aparelho sanitário monitorado tem-se estatísticas de volume consumido por acionamento. Tais informações e dados serão guardados para utilização em sistemas inteligentes de predição de consumo em aparelhos monitorados por chaves de fluxo somente em outras instalações.

 

Tabela 1: Volume (l) consumido por acionamento dos aparelhos

Aparelhos  

 n° de eventos/

 acionamento

Média Desvio Padrão Erro Padrão 1° Quartil Mediana 3° Quartil
Torneira 1 9300 0,426 0,449 0,005 0,179 0,287 0,502
Torneira 2 6289 0,660 0,525 0,007 0,380 0,480 0,829
Torneira 3 1457 0,692 0,932 0,024 0,054 0,363 0,889

Geral Torneiras

17046 0,535 0,548 0,004 0,215 0,399 0,658
Mictório 1 2680 0,575 0,594 0,011 0,202 0,487 0,701
Mictório 2 2252 0,737 0,579 0,012 0,388 0,666 0,882
Mictório 3 2310 0,692 0,525 0,011 0,443 0,591 0,816
Geral Mictórios 7242 0,663 0,572 0,007 0,335 0,585 0,796

 

Nas figuras  Figura 13 a Figura 16 tem-se os histogramas dos volumes consumidos por acionamento nos mictórios e torneiras.

 

Figura 13: Histogramas do volume (l) consumido por acionamento nos mictório 1 e 2.

 

Figura 14: Histogramas do volume (l) consumido por acionamento no mictório 3 e geral nos 3 mictórios.

 

Figura 15: Histogramas do volume (l) consumido por acionamento nas torneiras 1 e 2.

 

Figura 16: Histogramas do volume (l) consumido por acionamento na torneira 3 e geral nas 3 torneiras.

 

Nos gráficos de dispersão das  Figura 17 e Figura 18 vê-se o potencial preditivo do contador de pessoas que entram na toalete. Este potencial é utilizado para prever o consumo em todos os aparelhos sanitários, ver Figura 19Figura 22.

 

Figura 17:  Gráfico de dispersão dos volumes (l/dia) por número de pessoas nos mictórios 1, 2, 3 e soma dos volumes dos 3 mictórios.

 

 Figura 18: Gráfico de dispersão dos volumes (l/dia) por número de pessoas nas torneiras 4 e 5 e soma dos volumes das 2 torneiras.

 

Figura19: Predição de nº acionamentos dos mictórios em função do contador de pessoas.

 

Figura 20 Predição do volume consumido nos mictórios em função do contador de pessoas.

 

Figura 21: Predição de nº acionamentos nas torneiras em função do contador de pessoas.

 

Figura 22: Predição de volume consumido nas torneiras  em função do contador de pessoas.

COMPARAÇÃO DA SOLUÇÃO EXISTENTE COM A DESENVOLVIDA

 

 

 

Características das soluções

 

Solução existente

Solução desenvolvida

Hidrômetros com saída pulsada Sim Não
Sensores Sim no medidor hidrômetro Sim nos aparelhos de consumo de água.
Transmissores de rádio e concentradores Sim Sim
Armazenamento, disponibilidade e processamento de dados na nuvem Não, em geral os dados ficam sob custódia da empresa individualizadora, não ficam acessíveis aos contratantes do serviço de individualização. Sim, na nuvem e disponível para interessados em tempo real.
Solução de prateleira Sim Não
Intervenção local Sim. Muita intervenção. Não, nenhuma.
Pouco Visível Não Um pouco – ver fotos
Portabilidade: ajustável às características de outras instalações Não Sim
Baixo custo Não. O maior custo é das obras necessárias a instalação e depois da manutenção. Sim. Os sensores e a conectividade são baratos.
Inteligência e Aprendizado ou utilização de ferramentas analíticas. Não Sim
Sistema avisa aquando há erros em tempo real Não Sim
Rastreabilidade dos números em tempo real Não Sim
Sistema reajusta consumos de vido a erros nos pulsos em tempo real Não Sim
Sistema reajusta consumos devido ao não envio de dados Não Sim

 

CONSIDERAÇÕES FINAIS

 

Pode-se verificar que a utilização de ferramentas analíticas sobre dados coletados em conjunto de sensores tem grande potencial quando os eventos do local monitorado têm padrões de comportamento que se correlacionam ao longo do tempo e padrões de correlação entre as variáveis medidas e monitoradas simultaneamente nos vários sensores.

Foram estas correlações percebidas pelas ferramentas analíticas que possibilitaram ao sistema de medição as seguintes capacidades:

  • Corrigir os erros nos pulsos acumulados coletados dos sensores e enviados a nuvem;
  • Prever o consumo nas válvulas de descarga a partir das torneiras e contagem de pessoas;
  • Prever o consumo nas torneiras e mictórios somente com a contagem de acionamentos dos aparelhos.

A principal característica da solução é o seu conceito de medidor analítico o que o faz ajustável a qualquer instalação hidráulica e consequentemente portátil; e por isto não é uma solução de prateleira.

A meta técnica para o sistema de medição deste projeto foi estabelecida em 10 % a 20 % como margem de erro para a desagregação do consumo. Considerando que a tolerância ao erro de medição para hidrômetros utilizados no faturamento de água das residências seja de 10 %, a margem de erro alcançada deste sistema de medição em 15 % foi bastante razoável.

Com exceção da mínima visibilidade o sistema de medição desenvolvido atendeu a todas as metas propostas: baixíssimo custo, portátil e não destrutivo. Apesar de não comporem as metas do projeto, as capacidades citadas nesta seção e alcançadas no decorrer da execução do projeto, via o aplicativo tipo dashboard na nuvem são as características mais inovadoras deste sistema de medição.

SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA

Outros artigos da série

 

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Esta obra, “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE PERFIS DE CONSUMO DE ÁGUA – Estudo de Caso“, de  Olga Satomi Yoshida e Leonardo Fonseca Larrubia está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

 

Por Olga Satomi Yoshida e Leonardo Fonseca Larrubia

INTRODUÇÃO

 

Este artigo mostra com detalhes o desenvolvimento do Sistema de Medição Aplicativo utilizado no Sistema de Medição de consumo de água. A Figura 1 mostra a tela de abertura do sistema aplicativo. Na sequência serão apresentadas cada uma das funcionalidades desse sistema. Para melhor compreensão deste artigo leia antes o artigo técnico “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Descrição do Sistema”.

 

Figura 1: Tela principal do sistema aplicativo.

SISTEMA DE MEDIÇÃO APLICATIVO

Armazenamento e processamento na Amazon Web Services (AWS)

Os dados coletados e enviados a nuvem pelo sistema físico de medição precisam ser corrigidos e analisados para gerar os perfis de consumo do local monitorado. Foi desenvolvido um aplicativo tipo dashboard com este proposito especifico, e que qualquer um, em qualquer lugar e a qualquer tempo possa acessar os resultados do aplicativo.

As seguintes tecnologias foram utilizadas para desenvolver o aplicativo.

 

Amazon Elastic Compute Cloud (EC2)

O Amazon Elastic Compute Cloud  (EC2) é um serviço web da Amazon Web Services (AWS) que disponibiliza capacidade computacional segura e redimensionável na nuvem.  A AWS oferece gratuitamente 750 horas de utilização do EC2 executando uma instância t2.micro Linux, RHEL ou SLES (1 GiB de memória e suporte para plataformas de 32 e 64 bits) durante 12 meses  (Figura 2 e a Figura 3).

Figura 2: Tela de Login da AWS.

Figura 3: Página do EC2-AWS que possibilita a administração dos computadores em nuvem.

 

Ubuntu Linux Server

É o sistema operacional (SO) para operar o recurso computacional na nuvem. O sistema é de uso é gratuito e seu código fonte é aberto.

 

R: The R Project for Statistical Computing

https://www.r-project.org/about.html

É uma linguagem e também um ambiente de desenvolvimento integrado para cálculos estatísticos e gráficos. O seu uso é gratuito, assim como o código fonte que está disponível sob a licença GNU GPL. O R possui uma vasta comunidade de usuários que disponibilizam variados “pacotes” (conjunto de rotinas, funções e/ou dados pré-programadas). Neste projeto são utilizados os seguintes pacotes:

    • shiny: cria aplicativos para web que permitem um certo grau de interação com o usuário;
    • shinydashboard: simplifica a criação de dashboard;
    • ggplot2: constrói variados tipos de gráficos;
    • plotly: constrói variados tipos de gráficos interativos;
    • rmarkdown: cria e formata documentos dinâmicos e páginas web estáticas;
    • dplyr: auxilia na manipulação e estruturação de dados;
    • stringi: auxilia na manipulação e formatação de textos;
    • lubridate: auxilia na manipulação e formatação de datas e horas.

 

RStudio Server

É um Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE) para programação em R que é acessado via browser (navegador). Esse IDE permite uma melhor organização no desenvolvimento do sistema e facilita a programação (Figuras 4 e 5).

Figura 4: Tela de Login para acessar o RStudio Server via browser

Figura 5: Interface do ambiente RStudio Server

Shiny Server

É um servidor que permite a disponibilização online de aplicativos shiny. Possui recursos de escalabilidade, segurança e administração de nível corporativo.

Organização e funções do R

Foi criado um servidor com o sistema operacional (SO) Linux Ubuntu no EC2 da AWS que é responsável por disponibilizar recursos computacionais na nuvem. Nesse SO foi criado um sistema de diretórios para a organização do projeto de medição. Sua estrutura é presentada na Figura 6.

Figura 6: Organização dos diretórios para o projeto de medição de perfil de consumo de água.

Também foram instalados nesse SO os softwares R, RStudio Server e Shiny Server. Toda a programação para leitura, comandos e as análises dos dados foram realizadas usando o R. Os scripts com o códigos em R foram construídos e divididos de acordo com as funcionalidade exigida pelo sistema. Ao todo existem oito scripts, a seguir listados.

  • atualiza.R: conecta-se com a conta do pCloud, baixa, atualiza e faz uma estruturação e formatação inicial do conjunto de dados no diretório do computador da nuvem;
  • func_auxiliar.R: conjunto de funções genéricas de suporte que tem papel secundário nas análises;
  • func_carregaDados.R: conjunto de funções que carregam os dados dos diretórios e os estruturam numa única tabela;
  • func_corrigeDados.R: conjunto de funções que transformam as observações da base temporal de evento para hora, período do dia e dia. Também possuem funções que verificam a consistência e aplicam correções aos dados;
  • func_estatisticas.R: conjunto de funções que obtém informações estatísticas dos dados;
  • func_interface.R: conjunto de funções responsáveis pela construção da interface do aplicativo;
  • func_visualizacao.R: conjunto de funções que geram gráficos;
  • pacotes.R: conjunto de pacotes utilizados na programação e análise.

O RStudio Server foi utilizado como um IDE auxiliar para a interação com o R, além de servir como uma interface de acesso ao servidor via browser. Já o Shiny Server é responsável por “disponibilizar” o aplicativo online, atendendo as requisições de acesso do usuário.

 

Componentes funcionais do aplicativo

De modo geral, o funcionamento do sistema na nuvem pode ser dividido em duas partes: atualização e formatação dos dados e a análise e apresentação dos resultados.  Na Figura 7, pode-se observar que o esquema desenvolvido simplifica todo esse sistema na nuvem: O esquema do processo da operacionalização dos dados na nuvem relacionando o uso de cada tecnologia. Em 1 o desenvolvedor cria toda a operacionalização e análise de dado na nuvem e faz ajustes quando necessário. Em 2 o sistema na nuvem conecta-se ao pCloud e baixa e atualiza os dados no computador na nuvem.  Em 3 o usuário solicita o acesso ao aplicativo quando acessa o endereço via web e recebe as informações e análises (Figura 7).

Figura 7: Esquema do processo da operacionalização dos dados na nuvem.

 

Atualização e formatação dos dados

Consiste em um script em linguagem R (atualiza.R) responsável por baixar os dados do pCloud e salvá-los em um diretório local do sistema operacional Ubuntu Linux. Os dados primários estão organizados em arquivos .csv que são definidos por sensor e por dia. Após serem baixados, esses dados são estruturados em uma única tabela e a quantidade de pulsos acumulada pelo sistema de medição em cada evento é transformada em volume de água consumida. Depois é aplicada uma análise de consistência e, por fim, a tabela é salva. O sistema operacional manda o R executar essa rotina a cada 15 minutos.

 

Análise e apresentação dos resultados no aplicativo

A seguir os resultados de consumo são organizados em três bases temporais: hora, período do dia (madrugada, manhã, tarde e noite) ou dia. Diversas análises estatísticas são aplicadas e vários gráficos são construídos para cada base temporal de consumo. As análises e o monitoramento do consumo são apresentados em um aplicativo do tipo dashboard. Esse procedimento é executado toda vez que um usuário acessa o aplicativo.

 

Inteligências inseridas no aplicativo

A primeira ação do aplicativo é a análise de consistência dos dados monitorados dos sensores. O objetivo é identificar e eliminar ruídos no conjunto de dados. Eventos que apresentam consumos acima de um limite máximo são considerados ruídos e são excluídos. Para as torneiras e mictórios foi fixado um volume máximo de 3600 litros por hora.

Devido a uma falha inerente de conectividade do sistema de medição, há sempre um delay no acionamento do sistema de medição, e portanto foi acrescentado um tempo médio de 2,5 segundos ao tempo de duração dos eventos.

O volume obtido para os eventos de cada ponto de medição é sempre corrigido pela curva média de erro de cada medidor de acordo com as calibrações realizadas em laboratório.

Nos vasos sanitários é registrado apenas a ocorrência de evento com sua respectiva duração, sem ser medido, de fato, o consumo de água em cada evento. Tal consumo é estimado pela multiplicação da vazão média de descarga (obtidas através de estudos anteriores) com a duração do evento.

Com os consumos de cada ponto já estimados e corrigidos parte-se para a fase de análises estatísticas, que procuram descrever o perfil de consumo de água no ambiente. Os consumos, que até então eram por evento, são agregados por hora, por período do dia e por dia. De acordo com cada uma dessas bases temporais são obtidas algumas estatísticas resumo como média, mediana, máximo, mínimo de consumo, entre outras.

Os gráficos de séries temporais exibem a história do consumo até o momento atual. Os gráficos de “pizza” mostram a participação de cada aparelho ou grupo de pontos no consumo total. Os gráficos de barras permitem desagregar o consumo de acordo com a base temporal selecionada, possibilitando a visualização dos picos horários de maior consumo, a verificação de consumo nas madrugadas, ou os dias de maior consumo na semana. Os gráficos  boxplot e histogramas descrevem a distribuição da dispersão dos consumos ocorridos, sendo possível perceber qual é a faixa de consumo mais frequente, se períodos de tempo de consumo elevados são recorrentes, quais os valores de consumo mais destoantes entre muitas outras funcionalidades de análises.

As falhas possíveis de ocorrer são:

  • Perda de dados em decorrência de falta de energia, falta de bateria, ou entupimento da mangueira de água provocando erros como ZEROS ou VAZIOS nos registros de pulsos; ou
  • erro no registro de pulsos tipo outlier impactando no volume calculado.

Foi desenvolvida uma inteligência de dados para gerar alarmes, identificar e corrigir estes erros em tempo real. Na Figura 8 os alarmes estão indicando perda de dados em 3 aparelhos, 2 mictórios e uma torneira. Para estes pontos, a inteligência do aplicativo estima um consumo para toda perda de dado.

Figura 8: No link, a direita indicação de que não está havendo registro de consumo em três aparelhos.

 

Interfaces de acesso às funcionalidades do aplicativo

O aplicativo permite ao usuário ter acesso às informações e análises do consumo de água de forma dinâmica, fácil, simples e em tempo real. O aplicativo apresenta uma interface em essencialmente duas partes: uma barra lateral de navegação  (Figura 9 – A) e um painel que exibe informações e análises de acordo com o item selecionado na barra lateral (Figura 9 – B).

Figura 9: – Tela inicial do aplicativo.

A barra lateral é composta por três itens (Figura 10 – A):

  • Monitoramento: exibe informações do consumo;
  • Informações técnicas: exibe informações mais técnicas sobre o projeto;
  • Sobre: breve descrição do projeto.

Monitoramento: agrupa seis subitens responsáveis por exibir o consumo de água de acordo com o local escolhido pelo usuário (Figura 10 – B):.

  • Global: relativo ao consumo de todo o ambiente.
  • Torneiras: relativo ao consumo das torneiras. Na parte inferior do painel que exibe o acompanhamento de consumo é possível selecionar e exibir as informações individualizadas de cada torneira.
  • Mictórios: relativo ao consumo dos mictórios. Na parte inferior do painel que exibe o acompanhamento de consumo é possível selecionar e exibir as informações individualizadas de cada mictório.
  • Vasos: relativo ao consumo dos vasos.
  • Frequência de pessoas: relativo à quantidade de pessoas que usam o ambiente.
  • Análise de correlação: permite o usuário fazer uma cruzar o perfil de consumo entre os pontos de monitoramento.

Além dos seis subitens há uma barra de seleção que permite o usuário selecionar a base temporal (hora, período do dia ou dia) na qual deseja exibir as informações e análises do consumo; há uma caixa de marcação que permite o usuário escolher se quer ou não considerar os períodos que não houve consumo na análise e, por fim, há dois campos de data em que o usuário pode definir a data de inicio e de fim do período que deseja acompanhar o consumo.

O item Informações técnicas é composto por quatro subitens (Figura 10 – C)::

  • Sensores: exibe detalhes dos sensores e sobre seu funcionamento;
  • Modelagem: exibe informações sobre a modelagem aplicada aos dados;
  • Equipe: exibe a composição da equipe que participou do projeto;
  • Outros: exibe outras informações que podem ser relevantes.

O item Sobre exibe informações gerais sobre o projeto.

Figura 10: Detalhamento da barra lateral.

RESUMO

 

Este artigo apresentou com detalhes a solução desenvolvida para o Sistema de Medição Aplicativo e as diversas funcionalidades e ferramentas de análise que foram disponibilizadas aos usuários.

SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA

Outros artigos da série

 

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Esta obra, “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE PERFIS DE CONSUMO DE ÁGUA – Desenvolvimento de solução no Amazon AWS“, de  Olga Satomi Yoshida e Leonardo Fonseca Larrubia está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

Por Olga Satomi YoshidaNilson Massami TairaRamon Vals MartinLeonardo Fonseca LarrubiaHenrique Frank Werner Puhlmann e Ícaro Gonçales

INTRODUÇÃO

 

Este artigo é o primeiro de uma série de artigos sobre uma solução de medição de consumo de água e mapeamento de perfil de consumo, desenvolvida para atender a uma demanda principalmente de Empresas Públicas, que enfrentam o problema de caracterizar o perfil de o consumo de água em suas instalações e que gostariam de ratear os custos associados internamente e fiscalizar inquilinos que alugam espaço nas suas instalações (Lanchonetes, bares, etc.). Também há a necessidade de quantificar os custos associados às instalações sanitárias públicas com função social, especialmente as que servem a população de moradores de rua.

O objetivo deste projeto foi de desenvolver e testar um SISTEMA DE MEDIÇÃO de água PORTÁTIL e de BAIXO CUSTO para que possa ser instalado sem intervenções nas instalações hidráulicas e sem obras civis.   Em muitas edificações a medição do consumo de água só é realizada nas entradas de água do sistema hidráulico com ramais internos encobertos por paredes, muitas vezes de concreto e inacessíveis. Para ratear a conta de água de um grande consumidor é necessário desagregar o volume total consumido pelos usos finais da água ou por usuários, mas os atuais métodos de individualização são extremamente intervencionistas e de alto custo de instalação e manutenção.

Este projeto desenvolveu um SISTEMA DE MEDIÇÃO que está instalado no toalete masculino na entrada do Prédio 56 do IPT. Este sistema desagrega, em tempo real, o volume  consumido no toalete por aparelho sanitário, por turno ou hora e por atividade, caracterizando totalmente o consumo de água dos seus usuários, alunos dos mestrados e colaboradores que trabalham no prédio. Estas medições podem ser acompanhadas em tempo real via aplicativo na nuvem da Amazon Web Services – AWS (Figura 1).

Figura 1: Panorama dos aplicativos e dados acumulados na nuvem AWS

As tecnologias utilizadas para desenvolver este sistema de medição são as mesmas daquelas do IoT Internet of things que, individualmente não são novas, entretanto a inclusão da Internet e das ferramentas analíticas acrescentam a característica inovadora deste sistema de medição, que agregou a capacidade de se ajustar a diferentes instalações hidráulicas e também a capacidade de atribuir consumos de água a qualquer ponto de consumo de água, mesmo quando a aquisição de dados é interrompida pela falta de energia ou carga nas baterias bem como falhas nos sensores ou entupimentos nas mangueiras.  O sistema de medição aloca uma predição do consumo no lugar de um dado de medição perdido com margem de erro de 20 %.

 

ESPECIFICAÇÕES

 

As faturas de água são emitidas em bases mensais a partir de leituras de medidores instalados na entrada dos edifícios, que medem o consumo coletivo de vários pontos de consumo de água ou unidades consumidoras de água: aparelhos sanitários, equipamentos de lavagem, torneiras, apartamentos ou escritórios. Como os volumes consumidos variam muito entre as unidades consumidoras, a atribuição das suas responsabilidades pelo uso final da água e o rateio da conta coletiva demanda em desagregar o volume do consumo coletivo pelas unidades consumidoras tais como apartamentos ou escritórios. A solução existente para este problema requer obras civis para novas instalações hidráulicas de alto custo de implantação e manutenção. A desagregação do perfil do consumo coletivo sem modificar as instalações hidráulicas parece ser ainda um problema sem solução.

Foi proposto o desenvolvimento de um sistema de medição desagregador do consumo coletivo com as seguintes características.

  • PORTÁTIL: os componentes físicos do sistema de medição são facilmente instalados e desinstalados, e transportáveis numa mala de equipamentos;
  • NÃO DESTRUTIVO: a instalação do sistema medidor não requer intervenções nem obras civis, sendo de fácil instalação ou remoção;
  • MINIMAMENTE VISÍVEL (para minimizar eventuais vandalismos);
  • RASTREÁVEL: todos os resultados são rastreáveis com monitoramento a tempo real pela Internet;
  • BAIXO CUSTO: os sensores e a conectividade são de baixo custo;
  • ANALÍTICO: para que o sistema de medição trabalhe com componentes de baixo custo e seja ajustável a qualquer instalação hidráulica sem intervenções, foi feito  uso de ferramentas analíticas e inteligência agregada nas várias instalações monitoradas.

As tecnologias adotadas são as mesmas daquelas muito utilizadas em IoT Internet of Things que não são novas, entretanto a inclusão da Internet e das ferramentas analíticas acrescenta a faceta de inovação do sistema de medição desenvolvido neste projeto.

 

SOLUÇÃO DESENVOLVIDA

 

As tecnologias utilizadas no sistema de medição proposto pertencem à cadeia tecnológica do IoT, Internet of Things. São:

  • Sensores;
  • Conectividade;
  • Armazenamento e processamento na nuvem;
  • Ferramentas analíticas.
  • Aprendizado de máquinas e algoritmos.

O sistema desenvolvido coleta e armazena as medidas e as transmite para um repositório de arquivos numa nuvem gratuita, onde esses dados são armazenados de forma organizada e disponibilizados para acesso de outros locais para monitoramento e análise. O sistema de medição de perfis de consumo é composto por dois sistemas interagentes.

  • Sistema de medição físico distribuído, composto por dispositivos medidores de vazão, um contador de pessoas e um concentrador que faz a ponte entre estes dispositivos e uma nuvem gratuita, para onde os dados são transferidos em tempo real. Foi selecionado o padrão de comunicação ZigBee para realizar a comunicação local;
  • Sistema de medição aplicativo, que processa os dados transferidos em tempo real na nuvem da AWS, utilizando ferramenta analíticas, produzindo medições lidas e medições analíticas e preditivas para substituir dados faltantes ou com erros, disponibilizando os perfis de consumo de água do local monitorado em vários formatos, desagregados por aparelho de consumo, por hora e por turno.

O aplicativo sistema de medição atualmente localiza-se na nuvem da Amazon Web Services – AWS, mas pode ser facilmente ser migrado para outros dispositivos computacionais, tais como computadores, celulares ou tablets. O diagrama genérico dessa solução está representado na Figura 2.

Figura 2: Diagrama do sistema

ESTUDO DE CASO

 

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. Pode-se observar a fachada externa do local na Figura 3.

Figura 3: Fachada externa do prédio 56 do IPT

Este sistema desagrega, em tempo real, o volume  consumido na toalete por aparelho sanitário, por turno ou hora e por atividade, caracterizando totalmente o consumo de água dos seus usuários, alunos dos mestrados e colaboradores do CIAM. A seguir são apresentadas algumas fotos das instalações do sistema de medição na toalete. Na Figura 4, pode-se observar a instalação dos sensores nos mictórios.

Figura 4: Mictórios instrumentados

De maneira semelhante, foram instrumentados os lavatórios. (Figuras 5 e 6).

Figura 5: Vista panorâmica dos lavatórios

Figura 6: Detalhe da instalação no lavatório

Nesse Estudo de Caso, foi definido que, mesmo medindo separadamente cada ponto de entrega de água, as placas eletrônicas estariam melhor protegidas, se colocadas numa caixa plástica de proteção apoiada sobre um carrinho móvel. Essa ação também facilitou os testes e manuseio das placas eletrônicas e a movimentação do conjunto para facilitar a limpeza do local. Veja a caixa na Figura 7.

Figura 7: Caixa plástica utilizada para abrigar as placas eletrônicas carrinho.

COMPONENTES DA SOLUÇÃO

Dispositivos medidores

O Dispositivo Medidor, mostrado na Figura 8, 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.

Há um módulo integrado, que gerencia o Dispositivo Medidor, e que contém um poderoso microprocessador e módulos de rádio integrados no mesmo bloco. 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 no 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.

Figura 8: Detalhes do Dispositivo Medidor

Contador de Pessoas

O Contador de Pessoas é composto por um Dispositivo Medidor com firmware customizado para essa função, acoplado a um PIR (sensor infravermelho passivo) e uma fonte de alimentação linear ligada à rede elétrica. Foi necessário realizar uma pequena adaptação para viabilizar o uso da mesma plataforma do Dispositivo Medidor para o contador de pessoas. Os detalhes podem ser observados na Figura 9.

Figura 9: Detalhes do Contador de Pessoas

O contador de pessoas foi desenvolvido a partir do sensor PIR HC-SR501 (Figura 10) que contém um sensor piroelétrico, que detecta níveis de radiação infravermelha. Ele possui dois sensores de captação de infravermelho, e dessa forma consegue capturar a passagem de uma pessoa de acordo com a diferença dos valores obtidos. Para ampliar a região de alcance, utiliza-se uma lente de Fresnel, aumentando o ângulo de atuação para até 100°.

Figura 10: Sensor PIR HC-SR501

Prospecção de soluções alternativas para medir o fluxo de água

No sistema para determinar o perfil de consumo de água, há situações em que não é possível medir diretamente o fluxo da água. Como exemplo, descargas de vasos sanitários sem caixa acoplada externa (descargas com válvulas Hydra) não permitem um acesso ao escoamento de forma não invasiva. Neste caso, o monitoramento de consumo de água pode ser feito pelo tempo de acionamento da descarga e um volume médio de água associado a essa descarga em particular.. Naturalmente, trata-se de uma estimativa em que dados de calibração preliminarmente medidos ou obtidos no catálogo do fabricante da válvula de descarga, ou torneira de acionamento momentâneo, são analisados em conjunto com dados de pressão na linha (coluna de água) e tempo de acionamento. O tempo de acionamento deverá ser determinado com auxílio de um sensor do tipo chave liga/desliga adaptado ao botão de acionamento da válvula, ou através de uma chave de fluxo.

A informação do tempo de abertura da válvula deverá ser transmitida sem fio, preferencialmente por sinal de rádio, para um centralizador que disponibilizará a conexão com a rede local de comunicação ou a publicação em ambiente de nuvem. O transmissor de rádio deverá ser compacto e com baixo consumo de energia para possibilitar a alimentação com bateria de longa duração. Pode-se observar a instalação de um sensor de acionamento de descarga na Figura 11.

Figura 11: Instalação do módulo transmissor e chave sensora no interior do “espelho” da válvula

Gateway

O principal papel do gateway é coordenar a rede de Dispositivos Medidores e o Contador de Pessoas, receber os dados desses dispositivos e enviá-los de forma periódica e organizada para uma nuvem gratuita repositória de arquivos. O período especificado para esse projeto foi de 15 min. O gateway também deverá periodicamente atualizar e sincronizar o seu relógio (RTC), que será a referência de tempo do sistema. Neste projeto foi utilizado um computador industrial de baixo custo baixo consumo de energia, sem ventiladores e que opera sem monitor acoplado. Pode-se observar o equipamento na Figura 12.

Os dados são enviados pelos dispositivos e pelo contador de pessoas na medida em que ocorrem os eventos. Cabe ao gateway associar uma data e hora ao evento de forma que esses eventos possam ser correlacionados no tempo quando forem analisados.

Os pacotes de dados recebidos de cada medidor são tratados e organizados de forma a manterem apenas as informações coletadas, retirando do pacote eventuais informações adicionais, como por exemplo, as informações eventualmente necessárias apenas para a comunicação em rede. Esses pacotes são convertidos em arquivos que recebem um nome que identifique o local de origem desses dados e a data da coleta.

Figura 12: Vista do Gateway

Armazenamento dos dados em nuvem gratuita

A nuvem gratuita é o local onde são armazenados os dados coletados pelo sistema. Dentre as nuvens gratuitas disponíveis no momento, utilizamos a nuvem pCloud, no endereço https://www.pcloud.com/pt/, que oferece até 10 Gigabytes de armazenamento e o uso para fins de pesquisa é gratuito. São oferecidas diversas ferramentas para acesso e controle remoto da área reservada na nuvem. Todos os dados gerados pelo sistema de medição são armazenados em tempo real nesse espaço.

Foi criada uma estrutura de pastas para cada instalação de forma a facilitar a sua identificação e a localização dos arquivos e dispositivos correspondentes. Na Figura 13  pode-se observar essa estrutura montada como exemplo para a fase de prova de conceito que foi realizada no projeto. Cada equipamento tem a sua pasta onde são guardados todos os arquivos gerados pelos medidores do equipamento.

Figura 13: Vista das pastas criadas no pCloud para esse projeto

 

SISTEMA DE MEDIÇÃO APLICATIVO

Armazenamento e processamento na AWS

Os dados coletados e enviados à nuvem pelo sistema físico de medição precisam ser corrigidos e analisados para gerar os perfis de consumo do local monitorado. Foi desenvolvido um aplicativo tipo dashboard com este proposito especifico, e que qualquer um em qualquer lugar e a qualquer tempo possa acessar os resultados do aplicativo. De forma resumida pode-se observar na Figura 14 o esquema do processo da operacionalização dos dados na nuvem relacionando o uso de cada tecnologia utilizada nesse projeto. Em 1 o desenvolvedor cria toda a operacionalização e análise de dado na nuvem e faz ajustes quando necessário. Em 2 o sistema na nuvem conecta-se ao pCloud e baixa e atualiza os dados no computador na nuvem.  Em 3 o usuário solicita o acesso ao aplicativo quando acessa o endereço via web e recebe as informações e análises.

Figura 14: Panorama do sistema de aplicativos na nuvem

RESUMO

 

Este artigo apresentou em linhas gerais o projeto realizado, discorreu sobre as suas partes principais descrevendo e detalhando um pouco de cada uma para que se possa ter uma visão panorâmica do trabalho realizado. Alguns tópicos serão abordados com mais detalhes nos próximos artigos da série.

SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA

Outros artigos da série

 

Agradecimentos

Agradeço aos membros da equipe de projetos que desenvolveu esse trabalho, Olga Satomi YoshidaNilson Massami TairaRamon Vals MartinLeonardo Fonseca Larrubia, e Ícaro Gonçales pela coautoria na elaboração deste artigo técnico. Também agradeço ao Eduardo Luiz Machado pela colaboração e cessão do espaço para a instalação do Estudo de Caso, e a Vinicius Kabakian e Paulo Eloy da  Vika Controls pelo apoio técnico e material na forma de consultoria técnica e cessão consignada de medidores de vazão, módulos XBee e materiais diversos que ajudaram a viabilizar o Estudo de Caso.

 

Licença Creative Commons
Esta obra, “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE PERFIS DE CONSUMO DE ÁGUA – Descrição da Solução“, de  Olga Satomi YoshidaNilson Massami TairaRamon Vals MartinLeonardo Fonseca Larrubia, Henrique Frank Werner PuhlmannÍcaro Gonçales está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

Caro(a) Colega,

a partir do dia 19 inicia-se o curso sobre o FreeRTOS da Amazon, oferecido pelo CECContinuing Education Center numa parceria entre o IEEE, o site de conteúdo Design News e patrocinado pela Digikey. Confira a resenha:

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Abraço,

.

Henrique

consulte sempre um engenheiro eletrônico