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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

 

Licença Creative Commons
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

 

Licença Creative Commons
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 Ramon Vals Martin

INTRODUÇÃO

 

Este artigo é parte da série de artigos técnicos SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA. Neste artigo serão desenvolvidas diversas soluções alternativas para realizar a medição indireta do consumo de água em vasos sanitários ou outros pontos de entrega de água embutidos. Para melhor compreensão deste artigo leia antes o artigo técnico “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Descrição do Sistema”.

 

PROTÓTIPOS DE SENSORES ALTERNATIVOS

 

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 (descargas com válvulas Hydra) não permitem um acesso ao escoamento de forma não invasiva. Neste caso, o monitoramento de consumo pode ser feito pelo tempo de acionamento. 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.

PROTÓTIPO PULSADO  I

 Transmissor

O primeiro protótipo construído utilizava um módulo transmissor de rádio (modelo FS1000A – Módulos transmissor e Receptor de rádio [1]) operando em 433 MHz, modulado com pulsos de largura de 100 µs e taxa de repetição ajustável entre 20 Hz e 30 Hz. No acionamento da descarga, o dispositivo transmitia um burst de rf durante cada pulso.  A duração do evento era feita pela contagem de pulsos recebida no receptor. A Figura 1 mostra o circuito utilizado. A Figura 2 mostra o aspecto dos protótipos montados.

Figura 1: Diagrama esquemático do módulo transmissor

Figura 2: Aspecto da montagem dos circuitos

A alimentação dos circuitos foi feita com pequenas baterias de 12 V utilizadas normalmente em controles remotos. A avaliação de consumo e o efeito de carga da bateria podem ser visualizados nos gráficos da Figura 3. Quando a descarga não é ativada, o consumo do circuito é zero. Os protótipos foram instalados no banheiro masculino no andar térreo do prédio 56 do IPT.

Figura 3: Acima, consumo de corrente durante a transmissão dos pulsos. Abaixo, desvio da frequência em função da tensão da bateria, que pode ser utilizada como uma indicação de carga para programação de troca.

Receptor

O módulo de recepção é composto por um receptor de rádio de 433 MHz e um circuito condicionador de sinal para fornecer pulsos em níveis TTL para os estágios posteriores. O diagrama esquemático do circuito deste módulo é mostrado na Figura 4. O consumo deste módulo é de 20 mA, utilizando uma fonte linear de 5 V. Fontes chaveadas geram muito ruído de RF. Os pulsos de saída TTL tem largura ajustada em 1 ms, e repetem-se enquanto a descarga é acionada. Na Figura 5 é possível observar o aspecto da montagem dos circuitos.

Figura 4: Diagrama esquemático do circuito do receptor.

Figura 5: Aspecto da montagem dos circuitos do módulo do receptor.

Modos de Operação

O sistema pode operar em dois modos de operação:

Frequência única

Os quatro transmissores são ajustados para a mesma taxa se repetição de pulsos.  O receptor opera como totalizador, atribuindo um determinado volume para cada pulso recebido (Não identifica o vaso da descarga).

Frequências múltiplas

Os quatro transmissores são ajustados para quatro frequências diferentes (Ex.: 20 Hz, 23 Hz, 26 Hz, 29 Hz). Quando o primeiro pulso é recebido (placa Zigbee wake up) a totalização é feita em intervalos de tempo parciais (Ex.: A cada 0,5 s), enquanto a recepção de pulsos não cessar. Assim é possível identificar a origem de cada descarga, e atribuir coeficientes de calibração de vazão específicos para cada vaso.

Instalação

Os módulos transmissores foram instalados nos botões de acionamento das válvulas de descarga, conforme ilustrado na Figura 6 e na Figura 7. O módulo de recepção foi montado numa caixa de proteção, conforme a Figura 8. A sua instalação foi feita na parede, acima das pias, num ponto de distribuição de energia, como mostrado na Figura 9.

Figura 6: instalação do módulo transmissor no interior do “espelho” da válvula.

 

Figura 7: Aspecto final da instalação dos transmissores.

 

Figura 8: Montagem do módulo de recepção.

 

Figura 9: Módulo de recepção instalado na parede.

PROTÓTIPO II

Foram realizados diversos testes de funcionamento no sistema implementado, mas os resultados não foram satisfatórios, principalmente em relação à sua susceptibilidade aos ruídos eletromagnéticos ambientes. Numa nova tentativa, foi utilizado um controle remoto comercial de quatro canais, como mostrado na Figura 10. Os botões de acionamento do controle foram substituídos pelas chaves colocadas nas descargas.

Figura 10: Controle remoto de quatro canais, que foi modificado para transmitir informações sobre o acionamento de descargas.

PROTÓTIPO III

Novamente os resultados não foram satisfatórios, pois o sistema não permitia medir a duração do evento, apenas a sua ocorrência. Para sanar este problema, foi projetado um circuito baseado no Encoder PT2262 [2]  (Figura 11) e no Decoder PT2272 [3] (Figura 12). Estes dois circuitos integrados são customizados para aplicações de controles remotos, e permitem a identificação de mais de 8000 endereços de transmissores. Foi montado o circuito mostrado no diagrama esquemático da Figura 13 e Figura 14, que envia um trem de pulsos codificados para o início do evento, e outro trem de pulsos codificados para o final do evento. O diagrama de estados é mostrado na Figura 15. A contagem do tempo entre estes dois códigos é feita no módulo receptor.

Figura 11: Encoder PT2262.

Figura 12: Decoder PT2272.

 

Figura 13: Diagrama de blocos do sistema de transmissão por rádio.

 

Figura 14: Diagrama esquemático do circuito do módulo transmissor.

 

Figura 15: Diagrama de temporização do sistema.

PROTÓTIPO IV

O protótipo anterior foi construído e instalado no banheiro do prédio 56 do IPT, e encontra-se em fase de testes. Até o momento os resultados foram positivos, com alcance suficiente e imunidade ao ruído.  A monitoração do uso de uma descarga já está sendo feita em tempo real com acesso remoto ao tempo e duração do evento.

Para replicar este módulo em grande escala há alguns inconvenientes:  A necessidade de modificar totalmente o controle remoto apenas para aproveitar o transmissor de rádio e o chip de codificação;  A frequência deste transmissor não é permitida no Brasil (315 MHz) para esta aplicação; O chip de codificação é customizado, não permitindo alterações nos protocolos, e sua aquisição é mais difícil; Os processos de transmissão e recepção são lentos (alguns décimos de segundo); A contagem do tempo é feita no módulo receptor.  Para evitar estas limitações, esta sendo desenvolvido um novo módulo transmissor, que utiliza componentes padronizados de baixo custo e consumo, que são facilmente adquiríveis (contadores, portas lógicas e shift registers de tecnologia cmos).  Nesta nova configuração, a contagem do tempo é feita no próprio módulo transmissor. Este envia um código de 16 bits logo após o final do evento com a sua duração e a identificação da origem.  Este código é configurável por hardware. Exemplo de configuração: 2 bits de sinalização, contador de tempo de 9 bits (tempo máximo de evento de 10 s  com resolução de 20 ms), endereço de 5 bits (até 32 dispositivos).  Não há necessidade de decodificador no receptor de rádio. A saída do receptor já fornece o código de 16 bits de forma serial.

O protótipo do módulo transmissor nesta nova configuração já está em fase de construção para testes de desempenho e comparação com as configurações dos protótipos anteriores. 

 

SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA

 

Outros artigos da série

 

 Referências 

 

 Licença Creative Commons

Esta obra, “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Soluções alternativas para medir fluxo de água“, de  Ramon Vals Martin está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

Por Ícaro Gonçales e Henrique Frank Werner Puhlmann

INTRODUÇÃO

 

Este artigo é parte da série de artigos SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA. Neste artigo serão descritas algumas soluções exploradas para contar o número de pessoas que consomem a água monitorada para completar a estatística sobre esse monitoramento. Para melhor compreensão deste artigo leia antes o artigo técnico “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Descrição do Sistema”.

 

DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO

 

A maioria dos ambientes a serem monitorados tais como banheiros, refeitórios, vestiários etc, caracterizam-se por ter apenas uma entrada e saída pela mesma porta. Assim é possível instalar um único contador de passagem de pessoas para que se possa medir o fluxo de pessoas no ambiente. Há alguns critérios a serem considerados, especialmente por se tratar de monitoramento de ambiente público:

  • Equipamento tem que ser discreto;
  • Localizado preferencialmente na parte interna do ambiente a ser monitorado;
  • Que possa ser instalado em local que fique fora do alcance dos usuários;
  • Não pode parecer que é algum tipo de câmera;
  • Ser de baixo custo.

Por se tratar de ambiente com uma única entrada e saída, é desnecessário discriminar a entrada e a saída de pessoas. Um único contador registra o fluxo em dobro. Basta dividir por dois para obter o número de pessoas que estiveram no ambiente. Geralmente a porta desses ambientes abre-se para o lado de dentro. Isso precisa ser considerado quando se pensa em selecionar sensores. Sensores do tipo infravermelho ou barreiras ópticas teriam que ser instaladas do lado externo do ambiente.

Inicialmente, considerando os critérios apontados, escolhemos o módulo sensor ultrassônico HC-SR04 [1]  para essa tarefa, pois ele mede distâncias e, se instalado na parte superior da porta, a abertura dessa porta poderia facilmente ser identificada e ignorada pelo software. A passagem de pessoas seria detectada numa faixa de alturas pré-determinadas. Parecia que o problema estava resolvido. Quando iniciaram-se os testes práticos, constatou-se que havia situações bastante comuns em que o detector falhava e que esse tipo de situação era frequente. O sensor não funciona se utilizado para detectar materiais fofos. Por exemplo capuz de moletom, cabeleira farta, chapéus, bonés etc. Apenas os carecas seriam detectados. Na prática esse sensor mostrou-se ineficaz.

Foi realizada uma pesquisa na internet e foi encontrado um artigo técnico que descreve o mesmo problema, que foi solucionado com a utilização do sensor de movimento do tipo PIR (Passive Infrared Sensor) em condições adaptadas para operar como sensor de passagem. Trata-se do artigo técnico  Counting Human Activity with an Arduino [3].Testamos a solução sugerida no artigo técnico e funcionou bem. Foi desenvolvido um novo projeto utilizando-se o módulo sensor de presença do tipo PIR modelo HC_SR501 [2].

 

DISPOSITIVO CONTADOR DE PESSOAS

 

O Dispositivo Contador de Pessoas é composto por um Dispositivo Medidor, plataforma padrão desse projeto, com um firmware customizado para essa função, acoplado a um módulo sensor PIR  e alimentado por uma fonte de alimentação ligada à rede elétrica. Esse dispositivo não pode “dormir” para economizar energia. Foi necessário realizar uma pequena adaptação no Dispositivo Medidor original para viabilizar o uso da mesma plataforma para o contador de pessoas. Os detalhes podem ser observados na Figura 1.

Figura 1: Detalhes do Contador de Pessoas

 

O contador de pessoas foi desenvolvido a partir do módulo sensor HC-SR501, que pode ser visto na Figura 2. O sensor PIR detecta variações de níveis de radiação infravermelha. Ele possui dois sensores de infravermelho e dessa forma consegue capturar a passagem de uma pessoa de acordo com a diferença dos valores obtidos. Para ampliar a área de detecção, utiliza-se montado por cima do sensor uma lente de Fresnel, que permite aumentar o ângulo de detecção em até 100°. Os detalhes técnicos descritos aqui você encontra mais detalhados no Manual datalhado do módulo sensor HC-SR501 [2].

 

Figura 2 – Sensor PIR HC-SR501

O módulo sensor HC-SR501 permite que se realize alguns ajustes tanto nos tempos da operação quanto de sensibilidade. Para operar como contador de pessoas, posicionado próximo à porta do ambiente a ser monitorado, é necessário ajustar o sensor para que o alcance seja o menor possível e o tempo de acionamento também, de forma a otimizar a captura de passagem das pessoas. O sensor  possui 2 potenciômetros de ajustes, de acordo com a Figura 3, sendo o da esquerda é responsável por ajustar a sensibilidade, variando o alcance de detecção de 3 m até 7 m, e o da direita ajusta o sincronismo do pulso de saída, variando o tempo de acionamento de 2,5 s até 12,5 s.

Figura 3: Ajuste do sensor PIR

 

O jumper de ajuste de função pode ser configurado na função H (Figura 3), que faz com que o pino de saída permaneça em nível lógico alto enquanto há movimento. Já a configuração L faz com que o pino de saída seja acionado em um tempo pré-definido, de acordo com o potenciômetro do sincronismo de saída.

Foi utilizada a configuração do jumper na posição L e utilizado a configuração mínima dos potenciômetros, regulando a sensibilidade para 3 m e após a passagem de  uma pessoa, ficando a saída acionada por 2,5 s.

Após alguns testes, concluiu-se que esses tempos ainda estavam altos para a aplicação de contagem de pessoas. Demorava muito para o sensor ficar pronto novamente para capturar uma nova passagem. Foi necessário diminuir esse tempo. No Manual datalhado do módulo sensor HC-SR501 [2] está descrito um procedimento para otimizar ainda mais alguns tempos do módulo sensor alterando o valor de alguns resistores para isso. O potenciômetro de sincronismo de saída está em série com um resistor, estando ambos em paralelo a um capacitor. O tempo de descarga desse RC define quanto tempo ficará acionada a saída, por isso foi modificada a resistência, original de 1,5 kΩ para 100 Ω, alterando assim o tempo de acionamento de 2,5 s para 2 s. Também foi modificado o resistor de espera, de 1 MΩ para 120 kΩ, alterando o tempo de espera de 5 s para 0,6 s,  resultando num período total de 2,6 s . Esses resistores são mostrados na Figura 4.

Figura 4: Resistores de controle de tempo

 

Foi construído um circuito eletrônico para casar a interface de saída do módulo sensor com a entrada do módulo com microcontrolador cuja finalidade é de casar os níveis lógicos dos módulos, indicar o acionamento do sensor através de um LED, e para a proteção mútua tanto do microcontrolador quanto do módulo sensor O esquema elétrico dessa interface está ilustrado na Figura 5.

Figura 5: Esquema eletrônico do circuito de interface

 

A Figura 6 mostra a placa de teste com o circuito eletrônico da Figura 5 montado.

Figura 6: Placa de teste para coleta de dados do sensor

 

Foi realizada uma adaptação na placa do Dispositivo Medidor de forma que se possa utilizar o contador por hardware como contador acumulador de passagem de pessoas. Quando o módulo sensor detectar a passagem de uma pessoa, o microcontrolador registra essa passagem e aciona o clock do contador para incrementar a contagem de 1 se e quando o software determinar que houve mais uma passagem. A adaptação pode ser vista na Figura 7.

Figura 7 – Configuração na placa de comando para acumular a contagem via hardware

 

A função desse projeto é somente detectar a passagem de pessoas pela porta do banheiro do ambiente escolhido para testes. De acordo com a sugestão dada no artigo técnico Counting Human Activity with an Arduino – [3], foi utilizado um dispositivo tubular para focar a área de atuação do sensor, como é mostrado na Figura 8. Trata-se de um papelão de um rolo de papel higiênico, que tem as dimensões exatas para essa aplicação. (Destino poético para o tubo de papelão… Bastante adequado para monitorar um banheiro)

Figura 8: Dispositivo com a finalidade de focar a área de atuação do sensor de presença

 

Na Figura 9 pode-se observar a local onde o Contador de Pessoas foi instalado (bem próximo à porta). O movimento da porta não aciona o módulo sensor..

Figura 9: Local de instalação do módulo sensor PIR

Descrição da operação do Contador de Pessoas

Eventos previstos

  • Detecção de passagem de pessoas;
  • Atuação por tempo de inatividade, para sinalizar que o contador está operante (heartbeat).
  • Registro de que o Contador de Pessoas foi Ligado / Religado ou “ressetado” por algum motivo.

Descrição da operação após cada evento

  • Passagem de pessoa –  O contador de pessoas registra a passagem e transfere imediatamente a contagem acumulada ao concentrador. Monitora essa operação com um temporizador (time-out).

RESUMO

 

Neste artigo técnico foi apresentada uma solução simples para a realização de um contador de passagem de pessoas utilizando-se um módulo sensor PIR HC-SR501 e um tubo de papelão para restringir a área de atuação do sensor a um cone bastante estreito permitindo que o sensor de presença funcione como um sensor de passagem.

 

SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA

Outros artigos da série

 

Referências

 

Licença Creative Commons
Esta obra, “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE PERFIS DE CONSUMO DE ÁGUA – Contador de pessoas utilizando PIR“, de  Ícaro Gonçales e Henrique Frank Werner Puhlmann está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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.

 

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.

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a semana que vem está um pouco fraca na programação de treinamentos, mas tem o curso sobre o protocolo Thread para a Intenet das Coisas. Aproveite!

Abraço,

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Henrique

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4 a 8/04/2016 – Curso: Hands-On Introduction to the Thread IoT Protocol

A major Internet of Things market is home automation. It is also one of the most crowded, already seeing many suitors vying to be “the standard” for low-power mesh networking that will be interoperable with the rest of the IoT. Among players like ZigBee and Z-Wave, we have the emerging newcomer Thread. Thread is a mesh networking protocol that operates on the same baseband as ZigBee (the IEEE 802.15.4 PHY and MAC layers) and includes 6LowPAN as its network layers along with a simpler mesh but higher encryption than the corresponding ZigBee RF4CE and HA profiles. Backed by such notables as Google and Nest, Thread promises the resilience of ZigBee but at a smaller stack size and lower power requirements. In this course, taught by Charles Lord, you will learn the basics of the Thread protocol, how it is different from the other protocols, and how you can implement it in your future IoT designs.

  • April 4 – Day 1: Review of Home Automation Protocols
    In this leadoff class, we will review history of home automation (HA) protocols, starting with the old standby X-10 protocol and comparing it with the current competing protocols, including ZigBee, RF4CE, Z-Wave, and others. We will compare the strengths and weaknesses of each and examine where Thread stands among these protocols.
  • April 5 – Day 2: Looking at the Thread Protocol, in Depth
    We will continue to examine the Tread protocol in depth, including the stack structure, the underlying standards and how they interoperate, and the design principles. We will compare the underlying IEEE 802.15.4 PHY and MAC structure with Bluetooth 4.x and IEEE 802.11 (WiFi).
  • April 6 – Day 3: Sizing Up The Thread Stack
    The Thread stack consists of many modules including IEEE 802.15.4, 6LowPAN, UDP, Security, Mesh, and the actual application and its protocols. In this class, we will look at the structure of the actual code for the stack and how we will be using it for our hands-on testing in the final two classes.
  • April 7 – Day 4: Testing the NXP Boards
    In this penultimate class, we will load the stack and sample setup applications on our test boards for testing and verification of basic operation. We will test the basic setup of the network, the commissioning of a node, and data transfer.
  • April 8 – Day 5: Advanced Board Work
    Now that our code is verified, we will look at more advanced concepts with the boards including monitoring (‘sniffing’) traffic and integrating security. We will then look at changes of topography and the dynamic capabilities of the network to reconfigure and heal itself. We will conclude the class with a look at future developments and capabilities of the Thread protocol.

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06/04/2016

  • Information Overload – The IoT, Big Data, and Next-Generation Storage

07/04/2016

  • Control Schemes for Dealing with Nonlinear Mechanics

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Calendario Setembro 2015