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Por Douglas Bellomo Cavalcante e Henrique Frank Werner Puhlmann

 

Introdução

 

Neste artigo técnico é apresentada uma solução de prototipagem rápida desenvolvida com a finalidade de permitir a avaliação de desempenho de um acelerômetro comercial de baixo custo (MPU-6050 [1]) e um outro acelerômetro comercial um pouco mais sofisticado (ADXL355 [2]) e comparar esses desempenhos com o desempenho de um acelerômetro profissional de alto custo (Silicon Designs – modelo 2210-002 [3]) utilizado nos monitoramentos estruturais de construções civis.

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Desenvolvimento do sistema

 

Desenvolvimento do hardware

 

Foi escolhido o ARDUINO modelo Leonardo como plataforma de prototipagem. Inicialmente foi projetada e montada uma placa de ligação entre os acelerômetros e o ARDUINO fazendo a função de um shield. Essa placa permite fácil conexão dos acelerômetros com o ARDUINO Leonardo.

Para definir as tensões de alimentação, observamos que o ARDUINO Leonardo opera com 5 Vcc. O acelerômetro MPU-6050 pode operar com diversas tensões de alimentação. O ADXL355, porém, apenas com 3,3 Vcc. Isso acabou determinando que a tensão de alimentação dos acelerômetros ficasse definida como 3,3 Vcc. Foi necessário acrescentar um conversor de nível lógico nos sinais de comunicação e interrupção para compatibilizar os níveis dos sinais. Utilizamos um desses conversores bi-direcionais com quatro canais lógicos, que são facilmente adquiridos no mercado local. Se você tiver curiosidade em saber como um desses conversores de nível lógico funciona, leia o seguinte artigo técnico:

Para acelerar o desenvolvimento do protótipo, foram compradas placas de avaliação para os dois acelerômetros: Placas do GY-521 ou também breakout board para o MPU-6050, como se pode observar na Figura 1, e as placas EVAL-ADXL355-PMDZ para o acelerômetro ADXL355 (Figura 2).

Figura 1 – Módulo GY-521 e seu esquema elétrico

Figura 2 – Módulo EVAL-ADXL355-PMDZ e seu esquema elétrico

Inicialmente seguimos a sequência dos sinais definida no conector da placa GY-521 e utilizamos um cabo plano para conduzir os sinais até a nosso shield. Esse arranjo pode ser observado nas Figuras 3 e 4.

Figura 3 -Vista das conexões do cabo com a placa GY-521

Figura 4 -Vista do shield e das conexões do cabo com a placa GY-521

Da placa GY-521 foram utilizados os seguintes sinais:

  • VCC (+3,3 Vcc )
  • GND
  • SCL
  • SDA
  • INT

 

Na seqüência foi montado o cabo do módulo EVAL-ADXL355-PMDZ, de forma que os sinais de alimentação, comunicação e controle ficassem posicionados nos mesmos pinos que o cabo do GY-521. Pode-se observar o esquema de conexões na Figura 5.

Figura 5 – Esquema de conexões do cabo que interliga o módulo  EVAL-ADXL355-PMDZ com o shield.

Na Figura 6 pode-se observar uma vista do cabo e suas conexões.

Figura 6 – Vista do cabo e suas conexões

Observe que os sensores estão montados sobre um cubo. Esses cubos foram usinados com um bom grau de precisão para que suas faces opostas ficassem paralelas e as faces adjacentes perpendiculares. O cubo facilitou a fixação dos acelerômetros nos dispositivos de ensaio e o manuseio para testes mais simples.

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Desenvolvimento do software

 

Foram desenvolvidos três programas de computador para esse projeto.

 

Programa de aquisição de dados

O programa de aquisição de dados desenvolvido em Visual C, que é executado no PC e captura os dados enviados pelo ARDUINO. A partir desses dados, o programa lista os valores brutos na tela, traça um gráfico dos sinais capturados e os armazena num arquivo no formato de planilha eletrônica, valores separados por vírgula (.CSV). O motivo para se escolher esse formato de dados foi para que ficasse compatível com a saída do sistema profissional que seria utilizado durante a avaliação. Isso facilitaria análise e comparação das medidas. Na Figura 7 pode-se observar a tela gerada pelo programa de aquisição de dados

Figura 7 – Tela do programa de aquisição de dados

Repare que na Figura 7 foi realizada a aquisição de dados do MPU-6050, posicionando o sensor nas 6 possíveis faces do cubo.

O programa de aquisição de dados nos permite escolher a porta COM de comunicação serial, onde o ARDUINO está conectado, e tenta verificar essa comunicação. Pode-se observar o piscar de um LED na placa do ARDUINO durante essa operação.

O programa de aquisição de dados está disponível para download nos links a seguir.

São três versões compatíveis com as 3 velocidades de transmissão serial indicadas. Trata-se de um programa “executável” (.EXE) para o sistema operacional Windows. Foi testado no Windows 7. O programa é auto-suficiente, não se instala no computador. Basta iniciá-lo.

 

Programas para o ARDUINO

Para desenvolver os programas, foi instalado num microcomputador o conjunto de ferramentas VSC (Visual Studio Code da Microsoft)  e o Platformio (uma plataforma de desenvolvimento open source profissional para o ARDUINO). Esse conjunto de ferramentas facilita o trabalho do desenvolvedor e otimiza o tempo de desenvolvimento. Se você quiser conhecer melhor esse conjunto de ferramentas ou até instalá-lo no seu computador, leia o seguinte artigo técnico:

No artigo do Giovanni é explicado com detalhes como baixar e instalar esses programas.

 

MPU-6050

O programa desenvolvido para o Arduino contém destacadas as principais definições para os parâmetros de programação do MPU-6050. Você pode alterá-los e compilar o programa para o seu caso de uso. Note que a programação e cálculo dos parâmetros do acelerômetro não é coisa trivial de se fazer. É recomendável realizar uma leitura criteriosa dos manuais:

O programa que é executado no Arduino, ao ligar, inicializa diversos parâmetros no acelerômetro e entra no loop principal esperando receber um comando do programa de aquisição de dados. Esse comando pode ser:

  • Aquisitar – Inicia-se a aquisição de dados;
  • Parar      – Encerra-se a aquisição de dados.

Quando acionado o comando Aquisitar, é iniciada a coleta de dados do acelerômetro no modo de interrupção, quando é coletado um conjunto completo de dados de uma só vez (os 3 eixos). Para isso é ativada a FIFO de dados coletados e foi constatado de que havia a necessidade de se prever um “colchão” de pelo menos dois conjuntos completos de dados anteriores de forma que sempre que fosse realizada a leitura, os dados correspondentes ao mesmo conjunto estariam disponíveis para a leitura simultânea. Coisa que não acontece se não for tomado esse cuidado. Depois esses dados são convertidos e escalonados para que possam ser transmitidos ao PC, que realiza a aquisição de dados, enquanto não receber o comando Parar. O comando Parar encerra a aquisição dos dados no Arduino e conduz o programa de volta ao estado de espera.

O programa desenvolvido pode ser baixado na forma de um projeto completo do Platformio, no link a seguir.

Basta descompactar o projeto no diretório de sua preferência e utilizar o Platformio para abrir esse projeto (Figura 8).

Figura 8 – Como abrir o projeto

 

ADXL355

O programa desenvolvido para o Arduino contém destacadas as principais definições para os parâmetros de programação do ADXL355. Nesse projeto você também pode alterar e recompilar o programa para o seu caso de uso. É recomendável realizar uma leitura criteriosa dos manuais antes de alterar os parâmetros:

O programa para o ADXL355, na sua essência, é o mesmo desenvolvido para o MPU-6050. Foram realizados ajustes de escala dos dados para que não fosse necessário desenvolver outro programa específico para o PC. O mesmo programa funciona para os dois acelerômetros.

O programa desenvolvido pode ser baixado na forma de um projeto completo do Platformio, no link a seguir.

Para descompactar o program e abri-lo é só seguir o mesmo roteiro que foi usado para o MPU-6050.

 

Conclusão

 

Este artigo apresentou uma solução de prototipagem rápida com desenvolvimento de hardware e software que viabilize a comparação dos dados gerados pelos acelerômetros selecionados com um acelerômetro de uso profissional. Os resultados dessa comparação você pode conferir no próximo artigo dessa série.

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Monitoramento estrutural de obras civis utilizando a plataforma Arduino e sensores de baixo custo

Outros artigos da série

Referências

 

[1] MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification

[2] AXL354/355[2]

[3] Especificações resumidas do acelerômetro Silicon Designs – modelo 2210-002

[4] MPU-6000 Register Map and Descriptions

[5] ADXL355 PMOD Hardware User Guide

 

Licença Creative Commons
Esta obra, “Monitoramento estrutural de obras civis utilizando a plataforma Arduino e sensores de baixo custo – Prototipagem rápida“, de Douglas Bellomo Cavalcante e Henrique Frank Werner Puhlmann está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

Por Fabio Ioveni Lavandoscki, Diego Lapolli Bressan e Lucas P. G. Fernandes

Introdução

 

Este artigo técnico é o primeiro de uma série que discorre sobre a tecnologia de monitoramento de estruturas civis e os resultados obtidos a partir de um trabalho de pesquisa e capacitação realizado em 2018. O objetivo desse trabalho foi de prospectar tecnologias disponíveis de sensores (inclinômetros e acelerômetros) de baixo custo que poderão ser utilizados em conjunto com a plataforma Arduino no monitoramento de vibrações e rotações em obras civis. Na sequência, desenvolver um sistema de baixo custo e compará-lo com sistemas comerciais para verificar as diferenças nos parâmetros de interesse.

 

Contextualização histórica

 

O monitoramento de estruturas é tão antigo como a própria atividade de engenharia. Há milhares de anos que a humanidade tem se mostrado capaz de executar estruturas complexas com grande precisão, atividade em que é imprescindível o uso, independente do nível de sofisticação, de equipamentos de monitoramento. O primeiro método de monitoramento foi provavelmente a simples ação da medição visual, mas técnicas mais sofisticadas foram desenvolvidas rapidamente. Um exemplo notório de obras que, apesar de antigas, mostram grande complexidade, são os aquedutos. Há exemplos dessas obras já nos séculos VI e VII a.C, como o aqueduto de Jerwan, localizado no atual Iraque, e construído no reinado do rei assírio Senaqueribe I (Mallowan, 2018). Um desenho esquemático dessa estrutura é mostrado na Figura 1.

Figura 1 – Aqueduto de Jerwan.

Os aquedutos construídos pelos assírios, gregos e romanos tinham frequentemente uma declividade da ordem de apenas algumas dezenas de centímetros para cada quilômetro de extensão, como cerca de apenas 0,02% ou 0,03%, o que obviamente sugere o uso de eficazes instrumentos de medição e monitoramento, de modo a comprovar as medidas estabelecidas em projeto (Disponível em: http://www.romanaqueducts.info).

Há relatos de alguns equipamentos de medição empregados, sobretudo pelos romanos, nas grandes obras da antiguidade, aparelhos que foram provavelmente também utilizados de modo a monitorar essas estruturas sejam em fase de obra ou posterior à mesma. Um exemplo notório é o equipamento chamado “groma”, originalmente usado para demarcação de linhas retas ou perpendiculares, mas que pelo mesmo motivo pode ter sido usado de forma a monitorar estruturas em termos de se verificarem inclinações (Disponível em: https://explorable.com/roman-roads). Na Figura 2 pode-se observar uma imagem ilustrativa de uma “groma” romana.

Figura 2 – “Groma” Romana.

Monitoramento estrutural

 

A avaliação da segurança estrutural é uma atividade importante na Engenharia Civil. Por meio dela determina-se quando uma estrutura deve ser recuperada, limitada a utilização ou até mesmo interditada. Faz parte dessa avaliação inspeções e ensaios, que possibilitam avaliar a degradação e as condições gerais da estrutura. O monitoramento auxilia, nessas avaliações, provendo um histórico de informações e do comportamento da estrutura perante aos carregamentos existentes. Além disso, possibilita detecção de danos ou falhas estruturais no estágio mais precoce possível, evitando prejuízos financeiros e principalmente acidentes. Ressalta-se que diversos acidentes estruturais poderiam ser evitados com a utilização de um sistema de monitoramento estrutural contínuo.

O monitoramento do comportamento estrutural possibilita a avaliação das estruturas quanto ao seu uso, por meio de instalação de instrumentação, as quais permitem analisar os efeitos dinâmicos provenientes de solicitações externas, e com isto confrontar as situações concebidas em projeto com aquelas efetivamente ocorridas durante a vida útil da obra. Também permite acompanhar o comportamento das anomalias, fornecendo informações relevantes para o planejamento de manutenção e otimização das intervenções, e desta forma garantir que a evolução das anomalias não provoque a interrupção do uso da estrutura ([2] NERY, 2013).

Sistemas de monitoramento de vibração e inclinação de estruturas são cada vez mais requeridos, uma vez que, a evolução das técnicas de análise e dimensionamento estrutural em conjunto com o desenvolvimento de materiais de construção mais leves e resistentes, tem permitido a construção de estruturas esbeltas e com grandes vãos, portanto mais flexíveis e suscetíveis a níveis de vibração e deslocamentos excessivos.

No cenário internacional, a importância da monitoração de estruturas no âmbito da Engenharia Civil é um fato consolidado. Programas de monitoração podem estender a vida útil da estrutura consideravelmente, justificando o investimento no sistema de monitoração. Esta forma de pensar tem sido bastante praticada na Europa, nos EUA e na Ásia, principalmente na China, Singapura, Coreia do Sul e Japão, onde muitos edifícios altos, grandes pontes e outras importantes obras possuem soluções de monitoração prevista desde a fase de projeto ([1] ASSIS, 2007 apud [3] KOH, KIM E CHOO, 2005). Ainda de acordo com [1] ASSIS (2007), é cada vez mais frequente o caso de obras de grande porte que têm inclusive previsto em projeto o uso do monitoramento.

As Figuras 3 e 4 mostram exemplos de obras com uso do monitoramento desde fase de construção.

Figura 3 – Ponte Ashidagawa, no Japão.
Figura 4 – Ponte Arthur Ravenel Jr., nos EUA.

A área de manutenção também tem se desenvolvido nas últimas décadas no que é denominado monitoramento de integridade estrutural. Nessas abordagens, estruturas complexas e/ou de elevado custo são monitoradas periodicamente utilizando técnicas sofisticadas de sensoriamento e modelagem ([4] BARELLA et al., 2016).

O fato é que, atualmente o monitoramento estrutural é aplicado em estruturas de maior vulto devido ao elevado custo dos equipamentos, softwares e implantação dos sistemas utilizados.

Porém, com o desenvolvimento dos celulares, tabletes e drones, que utilizam diversos sensores em suas aplicações, surgiram no mercado sensores de baixo custo que podem atendem os requisitos de sensibilidade requeridos no monitoramento de estruturas civis.

Esses sensores baixo custo aliados a placas de microcontroladores tais como o Arduino e softwares do tipo “open source”, permitem o desenvolvimento de sistemas de monitoramento de baixo custo. Com isto, o monitoramento de obras será facilitado já que a compra dos equipamentos terão menor impacto no orçamento final enviado ao Cliente.

 

Monitoramento estrutural no IPT

 

A atividade proposta atende ao mercado de Infraestrutura, sendo este de grande atuação no IPT. Nos últimos anos, a SEE (Seção de Engenharia de Estruturas) atuou diretamente na construção da infraestrutura urbana nacional, prestando apoio tecnológico nas fases de construção, recuperação e manutenção de obras públicas e privadas. Também foram elaborados relatórios e pareceres técnicos, no qual foram avaliadas as condições e integridade das estruturas por meio do monitoramento de diversos parâmetros, dentre eles vibração e rotação dos elementos estruturais.

Como exemplo cita-se as obras realizadas para substituição dos cabos de suspensão, por estarem com capacidade reduzida, da Ponte Pênsil de São Vicente-SP construída em 1924, composta por: vão livre de 200 m com treliça metálica, tabuleiro em madeira e torres metálicas com 20 m de altura revestidas com concreto (Figura 5).

Figura 5 – Vista da ponte pênsil monitorada.

Como a substituição de cabos de aço de pontes pênsis não é uma atividade comum para as empresas de recuperação, o projeto apresentava riscos elevados de execução. Além disso, a presença de adutoras apoiadas na estrutura da ponte, juntamente com a permissão do trânsito de pedestres e ciclistas durante a execução da obra, determinaram a necessidade do monitoramento contínuo, de modo a minimizar os riscos de acidentes associados ao processo de recuperação, provendo o construtor em tempo real de informações relativas a deslocamentos, deformações, inclinações e vibrações excessivas, velocidade e direção do vento. Além disso, o monitoramento contínuo permitiu emitir alertas e impor limites nas etapas de transferência de carga dos cabos ou a interrupção de atividades acima dos limites previstos. As Figuras 6 e 7 ilustram respectivamente os sensores utilizados e locais de instalação.

Figura 6 – Equipamentos utilizados.

Figura 7 – Pontos de instalação dos equipamentos.

Tendências no campo do monitoramento estrutural

 

O campo do monitoramento estrutural tem tido grandes avanços nas últimas décadas, sobretudo naquilo que se refere à tecnologia empregada nos sensores, particularmente influenciada pelo crescente desenvolvimento da nanotecnologia. Entretanto, alguns pontos fundamentais nessa área ainda têm grandes deficiências, e as tendências no presente e futuro em geral se destinam as tentativas de solucionar a situação.

Um grande problema do monitoramento estrutural é custo nele empregado. A rede tradicional de sensores e processadores, mais bem descrita adiante nesse texto, em geral tem um sistema baseado em cabos, tipo manga ou fibra ótica (este último é mais eficiente), conectando seus componentes e, considerando a grande extensão que podem ter estruturas como pontes e barragens, é de se esperar que o custo de todo esse conjunto de fios pode ser consideravelmente expressivo. Na última década, tem sido cada vez mais comum o uso de sensores sem fio “wireless sensor network (WSN)”, o que acaba eliminando esse custo de cabos e pode tornar o investimento mais atrativo.

Essa tendência deve seguir no futuro, e o caso de rede conectada por cabos deve ser progressivamente mais raro numa realidade próxima. Com o uso desses sensores sem fio, entretanto, há ainda problemas com suas baterias, que em geral são de pequena capacidade e demandam trocas recorrentes. Há diversos estudos no sentido de se utilizarem formas interessantes de se resolver o problema, por exemplo, com o uso de energia solar que a estrutura recebe.

O custo do sistema é ainda muito afetado pelos expressivos recursos empregados no sistema de processamento de dados, que envolve, dentre outros equipamentos, o uso de condicionadores de dados que podem custar dezenas de milhares de reais. Nessa área, tem-se desenvolvido grande gama de soluções empregando microcontroladores de código aberto, como no próprio caso deste trabalho, que trata do arduíno, o que permite, apesar de algum trabalho exigido em programação, enorme economia, considerando que um exemplar arduíno pode ser encontrado por algumas centenas de reais.

Outro ponto problemático do monitoramento de dados é o processamento das informações coletadas, que muitas vezes são restritas às empresas e órgãos envolvidos em seu processo, sem que haja integração com outras bases de dados. Com o advento das cidades inteligentes, esse problema deve ser mitigado, na medida em que houver intensa transmissão e conexão entre as diversas informações coletadas em tempo real nessas cidades.

 

Conclusão

 

Este artigo apresentou o monitoramento estrutural de obras civis num contexto histórico e panorâmico, de modo a situar melhor o leitor nos assuntos abordados pelos próximos artigos técnicos.

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Monitoramento estrutural de obras civis utilizando a plataforma Arduino e sensores de baixo custo

Outros artigos da série

Referências

[1] ASSIS, W. S. Sistemas computacionais de apoio à monitoração de estruturas de engenharia civil. Tese (Doutorado). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia de Estruturas e Fundações. São Paulo, SP. 2007. 265p.

[2] NERY, G. O que é Monitoração na Construção Civil? Boletín Técnico nº 5 – Asociación Latinoamericana de Control de Calidad, Patología e Recuperación de la Construcción – ALCONPAT Internacional. 2013. 18p.

[3] Koh, H.M, Kim, S,.Choo, J.F. Recent Development of Bridge Health Monitoring System in Korea – Sensing Issues in Civil Structural Health Monitoring 2005 pp 33-42 

[4] BARELLA, R.; SEBASTIÃO, P. C. Filão inexplorado. Entrevista a Alberto Mawakdiye. Construção São Paulo, n. 2508, p. 4-7, mar. 1996.

Crédito para a Figura 1: Disponível em: https://gatesofnineveh.wordpress.com/2012/05/10/more-inventions-of-the-ancient-near-east/

Crédito para a Figura 2: Disponível em: http://historiauge.blogspot.com/2007/09/groma-romana.html

Crédito para a Figura 3: ASSIS, W. S. (2007)

Crédito para a Figura 4: ASSIS, W. S. (2007)

Crédito para a Figura 5: Arquivo IPT

Crédito para a Figura 6: Arquivo IPT

Crédito para a Figura 7: Arquivo IPT

 

 

Licença Creative Commons
Esta obra, “Monitoramento estrutural de obras civis utilizando a plataforma Arduino e sensores de baixo custo – Introdução“, de  Fabio Ioveni Lavandoscky, Diego Lapolli Bressan e Lucas P. G. Fernandes 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.

por Pedro Bertoleti

                Água é e será o mais precioso recurso que podemos ter, afinal não há vida sem ela. Logo, o uso consciente de água não é somente desejado, mas sim fundamental. Sendo assim, monitorar este consumo para garantir um bom uso de água é uma necessidade. É exatamente neste ponto que este projeto entra: monitorar, de forma inteligente e via Internet, o consumo de água.

                Este projeto se caracteriza por sua multidisciplinaridade, reunindo conceitos de leitura de sensores, processamento de dados, programação em diversas linguagens, utilização de sistema operacional Linux e comunicação de sistemas embarcados com a Internet. Por este motivo, este é um projeto completo para aprendizado de eletrônica e sistemas embarcados.

Em termos de funcionalidades, este projeto compreende:

  • Monitoramento de consumo de água acumulado (em litros)
  • Monitoramento de vazão instantânea (em litros / hora)
  • Estabelecer uma meta de consumo / período e um e-mail de contato. Desta forma, quando o consumo acumulado de água superar a meta informada, um aviso é enviado via e-mail para o e-mail de contato fornecido. Além disso, na página web de utilização do sistema é mostrado um aviso de que a meta de consumo foi atingida.
  • Totalmente acessível ao usuário pela Internet, por qualquer navegador em qualquer sistema operacional.

 

 

Organização do sistema

                O projeto é composto de partes distintas, as quais interagem e funcionam conforme mostra a Figura 1.

IoT Figura 1

Figura 1 – diagrama do projeto completo

Onde:

1) Sistema embarcado bare-metal

Sistema dedicado a ler os pulsos de um sensor de fluxo d´água e medir vazão instantânea e contabilizar o consumo acumulado. Este sistema pode ser calibrado, o que permite sua aplicação em quaisquer condições de fluxo de água e, ainda, possibilita o uso com qualquer sensor do mercado que seja compatível eletricamente e que opere com pulsos proporcionais ao fluxo de água passante.

2) Sistema embarcado Linux

Sistema responsável por se comunicar com o sistema medidor / bare-metal e a Internet. Este é a parte responsável por fazer a interface com a Internet (controle e monitoramento do usuário). Em termos de conectividade com a Internet, este sistema utiliza WiFi, o que permite maior liberdade de posicionamento do mesmo em uma residência, por exemplo.

3) ZigBEE

A comunicação entre o sistema embarcado bare metal e sistema embarcado Linux é feito sem fio, utilizando para isto ZIgBEE (um em cada sistema, ambos com antena chip).

4) Dispositivos finais

Quaisquer dispositivos com navegador web e conectividade com Internet (smartphones, tablets, computadores, etc.). É importante ressaltar que não há restrição quanto a sistemas operacionais, desde que suportem um navegador e permita conexão à Internet (algo que a grande maioria dos sistemas operacionais permite).

                Outro ponto interessante é a comunicação entre dispositivos finais e o sistema Linux embarcado. Esta é feita utilizando MQTT (Message Queue Telemetry Transport), um protocolo de comunicação baseado no TCP/IP e especificado com foco em transporte de mensagens curtas para Internet das Coisas. Ou seja, há garantia de entrega de 100% dos pacotes, além da rapidez devido a transmitir apenas mensagens curtas. Neste protocolo, tanto os dispositivos finais quanto o sistema Linux embarcado se comportam como clientes, sendo o servidor online (este servidor chama-se broker).
Logo, mesmo na ausência de um dos elementos (dispositivos finais ou sistema Linux embarcado), nenhum erro / feedback de sistema offline é emitido.

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Recursos utilizados

Neste projeto, foram utilizados os seguintes recursos de hardware e software:

a) Recursos de hardware

                No sistema bare metal, foi utilizado um microcontrolador PIC 18F4520. A escolha foi devido ao grande número de material e ferramentas de desenvolvimento (inclusive ferramentas free de boa qualidade) disponíveis para este microcontrolador, além da facilidade em achá-lo no mercado (principalmente para compras de baixo volume, algo interessante para os “hobbystas”).
Já no sistema Linux embarcado, foi utilizado um Intel Edison em conjunto com uma placa expansora de I/O Arduino Expansion Board. A escolha do Intel Edison foi feita considerando suas reduzidas dimensões físicas, baixo consumo, alta conectividade (como WiFi já embutido, por exemplo) e boas configurações relacionadas a processamento e memória RAM.

b) Recursos de software

                Como recursos de software, no sistema bare metal foi utilizado a IDE MPLAB v8.83 em conjunto com o compilador CCS. O firmware foi escrito totalmente em linguagem C.

                No sistema embarcado Linux, todo o sistema foi feito utilizando a linguagem Python. A escolha foi feita baseado no grande número de tutoriais e manuais existentes para consulta, além de ser uma linguagem com altíssimo nível de abstração e de fácil aprendizado, permitindo desenvolver um sistema complexo com poucas linhas de código (em comparação a uma linguagem mais tradicional, como a linguagem C, por exemplo) e com pouca experiência na linguagem.

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Veja o sistema funcionando por completo

Para conferir o sistema funcionando pra valer, veja estes vídeos:

O projeto está detalhadamente explicado e disponível na íntegra para livre consulta e uso nos seguintes links: