DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE UM SISTEMA AUTOMÁTICO PARA MEDIÇÃO INDIVIDUALIZADA DE ÁGUA EM APARTAMENTOS, Manuais, Projetos, Pesquisas de Eletrônica Digital

Baixe DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE UM SISTEMA AUTOMÁTICO PARA MEDIÇÃO INDIVIDUALIZADA DE ÁGUA EM APARTAMENTOS e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Eletrônica Digital, somente na Docsity! MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO Universidade Federal de Ouro Preto – UFOP Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas Colegiado do Curso de Engenharia de Elétrica UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E APLICADAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE UM SISTEMA AUTOMÁTICO PARA MEDIÇÃO INDIVIDUALIZADA DE ÁGUA EM APARTAMENTOS CAMILA RIBEIRO CARNEIRO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO JOÃO MONLEVADE 2018 Camila Ribeiro Carneiro Desenvolvimento de um Protótipo de um Sistema Automático para Medição Individualizada de Água em Apartamentos Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à banca examinadora da Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP, como parte dos requi- sitos para a obtenção de título de graduação em Engenharia Elétrica. Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas -ICEA Departamento de Engenharia Elétrica - DEELT Orientadora: Anny Verly João Monlevade - Minas Gerais 2018 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO Universidade Federal de Ouro Preto — UFOP Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas Colegiado do Curso de Engenharia de Elétrica ANEXO Il- TERMO DE RESPONSABILIDADE O texio do trabalho de conclusão de curso intitulado “Desenvolvimento de um “Protótipo de um Sistema Automático para Medição Individualizada de Água em Apartamentos” é de minha inteira responsabilidade. Declaro que não há utilização indevida de texto, material fotográfico ou qualquer outro material pertencente a terceiros sem a devida citação ou consentimento dos referidos autores. João Monlevade, (O de Meuço de DOS Nome completo do(a) aluno(a) Scanned by CamScanner Dedico este trabalho a Deus. Agradecimentos Agradeço primeiramente a Deus, pela força e discernimento que me foi concedido ao longo desta caminhada. Aos meus pais, que sempre me apoiaram incondicionalmente. Ao meu irmão Lucas, por sua amizade e zelo. Agradeço aos amigos feitos durante o curso e aos que permaneceram me acompanhando, mesmo quando as ocupações com os estudos não me permitiram estar sempre presente. Por fim agradeço a todos os professores que passaram pela minha vida acadêmica. Aos Mestres e Doutores que disponibilizaram um pouco do seu conhecimento, o meu muito obrigada. Sumário 1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.1 Contextualização Teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.3 Estrutura do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1 Automação Residencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2 Sensores de vazão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.1 Pressão Diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.2 Medidores de vazão por deslocamento positivo . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.3 Medidor de vazão tipo turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.4 Medidor de vazão eletromagnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3 Sistema Embarcado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.4 Sistemas Supervisórios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.5 Sistema de Transmissão de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3 METODOLOGIA PROPOSTA E RESULTADOS . . . . . . . . . . . 41 3.1 Escolha do Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2 Escolha do Módulo de Transmissão de Dados . . . . . . . . . . . . . 42 3.3 Instrumentação do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.1 Módulos de Transmissão e Recepção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.3.2 Interface Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.4 Aspectos Construtivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.5 Testes de medição e comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4 CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 APÊNDICES 61 APÊNDICE A – CÓDIGO MÓDULO TRANSMISSOR . . . . . . . 63 APÊNDICE B – CÓDIGO MÓDULO RECEPTOR . . . . . . . . . 65 APÊNDICE C – CÓDIGO MÍNIMOS QUADRADOS . . . . . . . . 67 APÊNDICE D – TELAS SUPERVISÓRIO . . . . . . . . . . . . . . 69 ANEXOS 71 ANEXO A – ESPECIFICAÇÕES ARDUINO UNO . . . . . . . . . . 73 ANEXO B – ESPECIFICAÇÕES SENSOR DE FLUXO . . . . . . . 75 ANEXO C – ESPECIFICAÇÕES RF LINK 315MHZ . . . . . . . . 77 Lista de tabelas Tabela 1 – Especificações Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Tabela 2 – Especificações do FS300A G3/4” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Tabela 3 – Módulo Receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Tabela 4 – Módulo Transmissor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Lista de abreviaturas e siglas ASCII Código Padrão Americano para Troca de Informações (American Stan- daed Code for Information Intercharge) IHM Interface Homem Máquina LabView Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench NI National Instruments ONU Organização das Nações Unidas Sabesp Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo SCADA Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (Supervisory control and data acquisition) SI Sistema Internacional SMI Sistema de Medição Individualizada RESUMO A água cobre cerca de 70% da superfície da Terra. Este fato dá a impressão de que a água é um recurso abundante, inesgotável e sem valor econômico. Tal pensamento perdurou por muitos anos, mas a realidade atual impõe que esses paradigmas sejam repensados. Nos últimos anos, o Brasil passou por uma das maiores crises de abastecimento de água das ultimas décadas e em 2014 teve seu ápice. Diante da escassez de chuvas, 166 cidades em Minas Gerais, 211 no Piauí e 68 em São Paulo declararam situação de emergência. Algumas cidades do Rio de Janeiro e Mato Grosso, também, enfrentam problemas de abastecimento de água. Este trabalho apresenta o projeto de um protótipo de um sistema automático para medição individualizada de água em apartamentos. Geralmente, em apartamentos antigos, a conta de água é dividida igualmente entre os condôminos, não havendo uma conta individual por unidade habitacional, o que pode gerar um descaso com o consumo exagerado. Com a possível flexibilização da medição individualizada é possível estimular o consumo consciente de água, já que cada unidade passará a pagar o que de fato gastou. O protótipo desenvolvido permite o monitoramento da vazão de dois pontos de consumo de água, podendo este número ser ampliado. As saídas monitoradas simulam pontos de consumo do apartamento como torneiras, canos de chuveiros, máquinas de lavar entre outras. As leituras das vazões dos sensores são transmitidas via ondas de rádio, tratadas e apresentadas ao usuário em uma interface, onde é possível monitorar o gasto com água. Palavras-chaves: Automação Residencial. Automação Predial. Racionamento Hídrico. Medição de Vazão. 25 1 INTRODUÇÃO A água é o líquido mais importante existente na Terra. Em reconhecimento à sua importância a ONU 1 propôs a Declaração Universal dos Direitos da Água em 22 de março de 1992, em Paris, que apresenta em seu primeiro artigo: "A água faz parte do patrimônio do planeta. Cada continente, cada povo, cada nação, cada região, cada cidade, cada cidadão é plenamente responsável aos olhos de todos" (CEARÁ, 2008). A água cobre cerca de três quartos da Terra, esta quantidade parece ser muita, porém a forma como está distribuída não permite descuido. De toda a água existente na Terra, 97% é água salgada. Sendo assim, apenas 3% é água doce própria para consumo humano e industrial. Contudo, mais da metade da água doce está congelada compondo as geleiras polares, uma outra parte é água subterrânea, sobrando apenas um pequeno percentual no planeta, cerca de 0,007%, de água doce disponível para consumo imediato (SILVA, 2010). Segundo Silva (2010), o Brasil é beneficiado com 12% de toda a água doce superficial disponível na Terra. Junto disso, a distribuição da água em solo brasileiro não é proporcional por regiões, a região Norte possui 68% de toda água doce do país, cabendo as regiões Sul e Sudeste os percentuais de 6% e a Nordeste o de 3%. No ano de 2014 o Brasil passou pelo ápice de uma das maiores crises de abasteci- mento de água, o sistema Cantareira, que abastece um terço da Grande São Paulo (6,5 milhões de pessoas) teve a maior seca da sua história, chegando a 5,5% de todo o seu nível (UOL, 2014). Apesar da volta da operação do sistema, a situação não é confortável, durante o período de seca, muitas cidade brasileiras ainda enfrentam o racionamento de água. Tal crise não é simplesmente devido a falta de chuvas, também influenciaram fatores importantes, como a falta de planejamento dos órgãos administrativos e o desperdício de água, tanto na distribuição quanto no consumo. A economia dos recursos se faz tão importante, que no auge da crise no ano de 2014 uma das manobras do governo brasileiro para controlar a situação foi o incentivo financeiro para quem economizasse água. A proposta do Governo para a população foi uma redução de 30% do consumo de água. Segundo a ONU cada pessoa necessita de 110 litros de água por dia, mas de acordo com último diagnóstico dos Serviços de Água e Esgotos referente ao ano de 2015, o consumo médio de água por habitante no Brasil é de 154 litros por dia, tendo uma redução de 6,8% em relação aos três anos anteriores, valor muito distante da meta estabelecida pelo governo 1 Organização das Nações Unidas. 26 Capítulo 1. Introdução (SNIS, 2017). Segundo Martins e Memelli (2011) os maiores responsáveis pelo desperdício de água nas residências são os hábitos e costumes dos consumidores. O conhecimento das fontes de consumo doméstico permite um melhor planejamento, e por consequência, a redução do consumo de água por meio do uso sustentável. De acordo com os estudos realizados por Sant’Ana et al. (2013), dentro de uma residência, as atividades que apresentam o maior índice de consumo de água são: o chuveiro (23,0%), seguido pela máquina de lavar roupas (21,4%), a descarga sanitária (15,3%) e a pia de cozinha (15,0%). O consumo residencial, de modo geral, é apresentado na Figura 1. Figura 1: Uso final do consumo de água doméstico. Fonte: Adaptado de Sant’Ana et al. (2013). O consumo responsável se dá com a gerência dos gastos com água, contudo, como é lembrada pela frase clássica da ciência da administração citada por Silva (2010) "O que não se mede não se controla. O que não é controlado não se gerencia". Um problema em prédios antigos é a ausência de um sistema de medição individua- lizada (SMI) em cada apartamento. O sistema tradicional de medição coletiva nos edifícios, como é apresentado na Figura 2, pode trazer uma série de equívocos ao dividir igualmente os gastos com água para cada habitação. Segundo Carvalho (2010) os benefícios obtidos a partir do sistema de medição individualizada é a equidade na cobrança do consumo doméstico, o que acarreta em uma maior satisfação e incentivo do uso consciente da água e pode gera uma redução de cerca de 25% no consumo de água do condomínio. Vários municípios brasileiros, como medidas de incentivo ao uso consciente da água, implantaram leis para a regulamentação do sistema de medição individualizada em prédios. Na esfera federal, em maio de 2014, foi aprovado, pela Câmara dos Deputados, o Projeto de Lei 5020/13. Este projeto altera a Lei no 11.445, de 5 de janeiro de 2007, que estabelece diretrizes nacionais para o saneamento básico, e prevê a instalação de medidores de consumo individuais em condomínio novos, essa norma passa a valer a partir de 2019. (NEVES, 2014). 1.1. Contextualização Teórica 27 Figura 2: Esquema genérico de medição de água em edifícios que não possuem medidores individuais. As linhas representam a tubulação do condomínio e as setas os pontos de consumo de água. Fonte: Adaptado de Carvalho (2010). A Figura 3 apresenta um esquemático da planta hídrica de um edifício projetado para medição individualizada. A adaptação de um condomínio com o esquema de distri- buição hídrica, como apresentado na Figura 2, que não prevê a medição individualizada, é dificultada pelo fato de haver uma única coluna de distribuição para cada área de consumo de água de apartamentos diferentes. Uma solução seria a instalação de um hidrômetro em cada ponto de água do apartamento, a conta final de água seria a soma de todos os hidrômetros. Contudo, o custo dessa obra seria elevado tendo em vista a quantidade de unidades de medição de consumo, outra desvantagem seria a perda da pressão de água gerada pelos hidrômetros devido às perdas de carga que este último insere no sistema. Outra opção, seria a reforma de todo o sistema hidráulico do prédio e a adaptação das novas instalações, também, tal tipo de solução é cara devido aos gastos com obras. Dada a relevância dos indicativos supracitados, o presente trabalho propõe o desenvolvimento de um protótipo de medição individualizada de água de fácil adaptação e de baixo custo. O sistema proposto consiste em uma interface de monitoramento conectada a sensores. Estes últimos são instalados nas nas saídas de água dos apartamentos. 1.1 Contextualização Teórica Esta seção apresenta um pouco da evolução da automação residencial e como ela é aplicada hoje em dia na eficiência energética de uma residência. A automação residencial foi desencadeada pela automação de edifícios comerciais, 30 Capítulo 1. Introdução utilizar aplicações de código aberto e dispositivos de baixo custo e de fácil comunicação. Certamente, grande parte de tais esforços empreendedores têm o intuito de melhorar a qualidade de vida dos usuários e proporcionar o uso consciente dos recursos naturais disponíveis. 1.2 Objetivos Como objetivo geral, propõe-se o desenvolvimento de um protótipo de um sistema automático para supervisão de vazão de água em prédios residências. Para isso, é utilizado um sistema supervisório que proporciona ao usuário o monitoramento de consumo de água residencial, informando não só a vazão de água totalizada como o valor do consumo de acordo com as tarifas vigentes da localidade. Ademais, o supervisório permite ao usuário o controle de cada item de sua residência, como: chuveiro, torneira, descarga, torneira de alimentação de eletrodomésticos, e máquina de lavar. De um modo geral, o protótipo propõe soluções para edificações cujo sistema de medição de consumo de água é coletivo. A proposta é simular dois pontos de consumo, para fins de testes de precisão dos sensores, comunicação a rádio e funcionamento do sistema supervisório. 1.3 Estrutura do Trabalho O presente trabalho está organizado da seguinte maneira: No Capítulo 1 é introduzido o problema da água no contexto mundial e nacional, relacionados à distribuição da mesma em relação à densidade demográfica. Neste sentido, é apresentado o problema de medição coletiva adotada em muitos prédios. Ademais, é apresentada a proposta do trabalho e seus objetivos. No Capítulo 2 apresenta uma breve revisão dos conceitos e equipamentos que são utilizados no desenvolvimento do presente trabalho. Dessa forma, na seção 2.1 é aprofundado o conceito de automação residencial e nas seções seguintes são discutidos sensores de vazão, 2.2, sistemas embarcados, 2.3 e sistemas supervisórios, 2.4. No Capítulo 3 são apresentados os métodos e materiais utilizados no desenvolvi- mento do protótipo. Iniciando, na seção 3.1 pela escolha do sensor, são apresentadas as principais características do medidor, bem como os testes e resultados realizados com o mesmo. Posteriormente, na seção 3.2, são retratadas as propriedades do sistema de transmissão de dados. Por fim, 3.3, é exposto o diagrama de instrumentação do protó- tipo construido, incluindo seus aspectos construtivos e programação, além dos testes de validação do sistema. 1.3. Estrutura do Trabalho 31 No Capítulo 4, é apresentada a conclusão do projeto, discutido os resultados, análise de viabilidade e sugestão de projetos futuros. 2.2. Sensores de vazão 35 Figura 6: Classificação dos medidores de vazão. 1 – Medidores indiretos utilizando fenômenos intimamente relacionados à quantidade de fluido passante 2 – Medidores diretos de volume do fluido passante 3 – Medidores especiais I – Perda de carga variável (área constante) II – Área variável (perda de carga constante) I – Deslocamento positivo do fluido II – Velocidade pelo impacto do fluido - Eletromagnético - Vortex - Ultrassônico - Calhas Parshall - Coriolis - Tubo Pitot - Tubo de Venturi - Tubo de Cali - Annabar - Placa de orifício - Rotâmetro - Disco Nutante - Pistão flutuante - Rodas ovais - Roots - Tipo Hélice - Tipo Turbina Fonte: Adaptado de Cassiolato e Orellana (2010). 2.2.1 Pressão Diferencial Os medidores de pressão diferencial são medidores indiretos de vazão, localizando-se no grupo 1 item I da Figura 6. Os instrumentos deste grupo utilizam-se de elementos deprimogênios, como placas do orifício, para gerar um obstáculo à passagem do fluido, gerando uma redução na pressão. Assim, a partir de sensores diferencial de pressão a vazão pode ser encontrada utilizando o Teorema de Bernoulli. Dado que a densidade e a viscosidade do fluido permanecem constantes pode-se encontrar a vazão (Q) em m3/s que é dada por: Q = k √ 4P , (2.1) onde k é uma constante que equaciona características da tubulação e do elemento de- promogênio. Se 4P (variação de pressão) for dada em kPa, a unidade de medida de k é m3/(s √ kPa). Os principais elementos deprimogênios são: Placa de Orifício, Tubo Venturi, Bocal, Tubo de Pitot (THOMAZINI; ALBUUQERQUE, 2005). Os medidores indiretos de vazão são amplamente utilizados devido a sua simplici- dade, baixo custo e facilidade de manutenção, contudo seus maiores defeitos são as perdas de carga geradas pela restrição causada pelos elementos deprimogênios (THOMAZINI; ALBUUQERQUE, 2005). 36 Capítulo 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.2.2 Medidores de vazão por deslocamento positivo Nos medidores de vazão por deslocamento positivo a vazão é medida de forma direta, portanto são classificados no grupo 2 da Figura 6. Neste tipo de medidores, a própria energia do líquido é usada para girar equipamentos que, junto com medidores, registram a vazão do líquido (THOMAZINI; ALBUUQERQUE, 2005). Uma das aplicação mais conhecidas desse tipo de medição são os hidrômetros residenciais, que medem o deslocamento do fluido a partir de um disco de nocaute que gira e oscila de acordo com a vazão da água (VIEIRA, 2014). Este dispositivo é apresentado na Figura 7. Figura 7: Hidrometro residencial. Fonte:Vieira (2014, p. 33). 2.2.3 Medidor de vazão tipo turbina Outro medidor direto comumente aplicado é do tipo turbina, contudo este utiliza- se da velocidade gerada pelo impacto do fluido para aferir a vazão. O primeiro a usar uma turbina alinhada com o fluxo de água para medir vazão foi o alemão Reinhard Woltmann (1757 - 1837) que criou um molinete hidráulico. Nesse tipo de configuração, as pás da turbina giram a uma velocidade angular que varia de acordo com a velocidade de escoamento do fluido (Aguirre, 2013). O movimento das hélices podem ser captados por sensores de efeito Hall, ópticos, indutivos, capacitivos ou magnéticos, e até mesmo por engrenagens. O sensor utilizado para captar o movimento da hélice irá fornecendo um pulso de tensão a cada rotação no sinal de saída. Um esquema de funcionamento desse medidor e a forma de onda emitida por um sensor de efeito Hall são elucidados na Figura 8. De acordo com cada fabricante haverá uma constante k que relaciona a frequência dos pulsos de saída com a vazão. Esta constante dependerá da viscosidade do fluido e da dimensão do medidor de acordo com Q = f/k. (2.2) 2.2. Sensores de vazão 37 A exatidão desse tipo de dispositivo é muito boa, são robustos e fáceis de usar, porém podem somente ser utilizados em aplicações onde o fluido é líquido. Uma desvantagem é a perda de carga que ele pode proporcionar por ser um elemento intrusivo no sistema. Figura 8: Medidor tipo turbina utilizando sensor de efeito Hall. Frequência em Hz RotaçãoSaída em V Sinal de Saída Ímã Sensor de efeito Hal Fonte: Souza (2012, p. 42). 2.2.4 Medidor de vazão eletromagnético Os medidores eletromagnéticos são do tipo especiais, grupo 3 da Figura 6. O cientista Michael Faraday demonstrou pela primeira vez o princípio que leva o seu nome em 1832, a Lei de Faraday. Desde então, foram desenvolvidos muitos equipamentos baseados em tal princípio, o medidor de vazão magnético é um desses equipamentos (AGUIRRE, 2013). A lei de Faraday aplicada em medidores de vazão, determina que o movimento do líquido (o qual deverá possuir uma condutividade elétrica mínima admitida) através do campo magnético induz uma força eletromotriz (f.e.m) que atravessa o líquido num sentido perpendicular ao campo magnético, sendo essa f.e.m. diretamente proporcional à sua velocidade de escoamento. O esquema de funcionamento pode ser visto na Figura 9. Segundo Aguirre (2013), considerando que D é o diâmetro do duto, a tesão induzida e é dada pela lei de Faraday e é descrita por e = (~v × ~B)D. (2.3) Dessa forma, a força eletromotriz medida nos eletrodos corresponde a velocidade média do perfil de velocidade do escoamento. Os medidores de vazão eletromagnéticos apresentam como vantagem não serem intrusivos, ou seja, não há nada que se oponha à passagem do fluido, são insensíveis à viscosidade, à densidade e ao perfil de velocidade 40 Capítulo 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA dispositivos. Sua linguagem de programação gráfica (Linguagem G) torna a programação mais rápida e intuitiva comparada com a programação baseada em texto. Maiores detalhes sobre as funcionalidades do software podem ser encontradas em National Instruments (2018). 2.5 Sistema de Transmissão de Dados Os valores medidos pelo sensor de vazão são enviados para o sistema embarcado por meio de um sistema de transmissão. A Figura 11 apresenta de forma genérica tal sistema. A comunicação se inicia quando a mensagem é gerada, essa mensagem pode ser gerada por uma pessoa, por um computador ou por um sistema eletrônico, como é o caso deste trabalho, e é denominada informação. A informação, em forma de sinal eletrônico alimenta o transmissor que transmite o sinal por meio do canal de comunicação. Por fim, a informação é captada pelo receptor (FRENZEL, 2009). Figura 11: Modelo geral dos sistemas de telecomunicações. Informação Transmissor (Tx) Canal de comunicação Receptor (Rx) Informação recuperada) Ruído Fonte: Adaptado de Frenzel (2009). O canal de comunicação pode ser cabo de cobre de transmissão, cabos de fibra óptica ou o espaço livre. O último foi o utilizado neste trabalho, tal comunicação também é conhecida como rádio, chamada de comunicação sem fio (do inglês wireless). Nela a informação é convertida em campo eletromagnético e tem a capacidade de se propagar por longas distâncias sem necessidade de meio físico. Quando se trata de comunicação a rádio, os componentes da transmissão de dados terão o seguinte papel: o transmissor é um circuito eletrônico responsável por modular 2.5. Sistema de Transmissão de Dados 41 o sinal em uma portadora, uma onda senoidal de alta frequência gerada pelo circuito, e o transmitir para o receptor por meio do espaço livre. O receptor captura esse sinal e demodula para o sinal original. Observando as características das comunicações eletrônicas, elas podem ser classifi- cadas em dois grupos, como é apresentado na Figura 12, as unidirecionais e as bidirecionais. Na Unidirecional (simplex), o papel do transmissor e do receptor não se invertem, os circuitos de transmissão utilizados no presente trabalho utilizam essa configuração. Já na comunicação bidirecional (full duplex ou half duplex) tanto transmissor quanto receptor podem transmitir e receber dados, sendo que na full duplex ambos podem transmitir dados ao mesmo tempo e na half duplex a transmissão de dados não pode ser simultânea. Figura 12: Classificação dos tipos de comunicação. Fonte: Do próprio autor. 3.2. Escolha do Módulo de Transmissão de Dados 45 Figura 14: Calibração do sensor FY-21 1/2” pelo método de mínimos quadrados. Em (*) tem-se os dados reais obtidos por um procedimento de média simples de três ensaios. Em (-) tem-se o ajuste pelo método de mínimos quadrados (3.3). Em (+) equação do fabricante (3.2). Fonte: Do próprio autor. com o sistema embarcado e capacidade de alcance de 20 a 200 metros. As características técnicas do sensor se encontram no Anexo C. O módulo RF 315MHz AM atua na faixa de Rádio conhecida como SubGiga, é uma faixa de uso livre liberada pela Anatel. Essa faixa é amplamente usada por rádio amadores e também por controles remoto (OLSSON, 2013). Os testes de validação foram realizados alimentando o módulo transmissor com 6 volts através de um conjunto de pilhas alcalinas. O local dos testes foi uma residência de 120 m2, o módulo receptor foi fixado em um cômodo da residência e o módulo transmissor deslocado pela área. O sistema se mostrou eficiente em realizar a comunicação entre os cômodos da residência sem apresentar perda de informação. Uma das características do módulo, é a utilização do Código Padrão Americano para Troca de Informações (ASCII - American Standard Code for Information Intercharge)para a transmissão. A decodificação do sinal é realizada no microcontrolador do módulo receptor. 46 Capítulo 3. METODOLOGIA PROPOSTA E RESULTADOS Figura 15: Modelo RF Link 315MHz AM. Fonte: Retirado de Buildcircuit (2018). 3.3 Instrumentação do Sistema O esquemático do protótipo na Figura 16 representa o diagrama de instrumentação do sistema. A partir dos sinais recebidos dos sensores, o Arduino faz o tratamento, convertendo-os de acordo com a tabela ASCII e os envia para o computador. No computador o supervisório irá tratar novamente os dados recebidos, gerar um histórico e permitir que o usuário tenha acesso tanto aos valores de consumo atual como os valores passados de sua residência. Figura 16: Diagrama esquemático da instrumentação do protótipo de medição individua- lizada. Módulo de medição (sensor de vazão + rádio transmissor) Legenda Sistema Supervisório Planta Apartamento Arduino Rádio receptor Fonte: Do próprio autor. 3.3. Instrumentação do Sistema 47 3.3.1 Módulos de Transmissão e Recepção O sistema possui um módulo de recepção e os módulos de transmissão de dados. O módulo de transmissão consiste no sensor de fluxo, o microcontrolador e RF Link Transmitter - 315Mhz. A alimentação pode ser realizada por meio de bateria ou pilhas, facilitando assim a instalação do conjunto. Figura 17: Esquema módulo de transmissão de dados. Fonte: Do próprio autor. Foi desenvolvido um Sketch na interface de desenvolvimento do Arduino. A Figura 18 apresenta o fluxograma utilizado na programação. O código da programação se encontra no Apêndice A. Inicialmente são realizadas as configurações do módulo de rádio e do pino digital que receberá os pulsos do sensor de fluxo, posteriormente o programa realiza a contagem destes pulsos durante um segundo e envia ao módulo receptor que está acoplado ao computador. Após o envio o ciclo se reinicia, dessa forma, as medições são enviadas a cada um segundo para o receptor. Visando viabilizar a comunicação de mais de um sensor, na fase "Trata dados"é adicionado o código de identificação do ponto na palavra que será transmitida. O código possui quatro dígitos, os dois primeiros correspondem ao número de identificação da residência e os dois últimos ao ponto de consumo. O módulo receptor consiste no RF Link Receiver - 315Mhz e na placa de Arduino Uno ligada ao computador. O fluxograma é apresentado na Figura 20. A função desse módulo é receber os dados, tratá-los e enviar à porta serial so computador. Nesse processo, o tratamento dos dados é a conversão da tabela ASCII para números decimais e a montagem 50 Capítulo 3. METODOLOGIA PROPOSTA E RESULTADOS Figura 21: Fluxograma mostrando os passos do Módulo de Recepção. Configura Comunicação RF Recebe os dados Trata os dados Verifica o ponto de consumo Converte para L/s Incrementa Totalizador Grava dados A barra indica o consumo total naquele ponto, com isso o usuário pode observar qual o ponto de maior consumo de água e verificar as possibilidades de economia. A Figura 25 apresenta a aba de consumo do chuveiro, as demais telas se encontram no Apendice D. 3.4 Aspectos Construtivos O protótipo conta com um conjunto de quatro caixas, duas fazendo o papel da caixa d’água, e duas os reservatórios, onde vai ser contabilizado o consumo. Foram utilizados dois medidores de vazão de efeito Hall, um de 3/4” e o outro de 1/2”. Para o controle do fluxo, cada medidor é alimentado por uma válvula manual. Um esquemático do protótipo pode ser visualizado na Figura 26. Primeiramente, com o auxílio de um copo dosador, foram realizadas as marcações de nível dos reservatórios. A régua de medição marca de meio em meio litro de 1/2 até 3L. Tal marcação foi realizada, a fim de possibilitar o acompanhamento do nível real no protótipo e o indicado no supervisório. Permitindo assim a validação dos dados recebidos. 3.5. Testes de medição e comunicação 51 Figura 22: Tela 1 do supervisório: medição instantânea. Fonte do próprio autor. Figura 23: Tela 2 do supervisório: gráfico de histórico de consumo. 3.5 Testes de medição e comunicação Para realizar os testes do protótipo foi desenvolvida uma tela de monitoração no LabView, que é apresentada na Figura 27, onde alguns pontos importantes foram destacados. Monitorando a porta serial (reade buffer) é possível ler a palavra de estados, que é formatada pelo módulo de recepção. Nos campos código e leitura é possível notar que 52 Capítulo 3. METODOLOGIA PROPOSTA E RESULTADOS Figura 24: Tela 3 do supervisório: tabela e tarifa de histórico de consumo. Figura 25: Tela 4 do supervisório: no lado esquerdo é apresentado o ponto de medição e o consumo acumulado em forma de interface gráfica (tanque). O gráfico apresenta o histórico de consumo no chuveiro. os valores foram fragmentados corretamente. No gráfico é apresentado o valor instantâneo em L/s e no tanque o valor acumulado no reservatório. Na comunicação com dois sensores, o fator de atenção era a perda de dados na comunicação. O teste foi realizado acionando um sensor primeiro, ponto 0101, após 10s o segundo sensor foi ligado. Portanto, como é amostrado na Figura 28, não houve perda de informações quando o segundo medidor passou a enviar dados. 3.5. Testes de medição e comunicação 55 Figura 28: Log’s de dados comunicação com dois sensores. No teste realizado, é pri- meiramente acionado o ponto 0101, passados 10 segundos o segundo sensor (ponto 0102) é acionado. Os arquivos de log mostram os horários das leituras, e analisando-as é possível verificar que não houve perda de dados, as gravações são feitas de segundo em segundo. Arquivo de log Ponto: 0101 Arquivo de log Ponto: 0102 Fonte: Do próprio autor. 57 4 CONCLUSÕES Este trabalho apresentou os principais aspectos para o desenvolvimento de um protótipo de medição individualizada de água. Em se tratando de edifícios com medição coletiva, o objetivo do projeto é por meio de um sistema de supervisão solucionar o problema da medição coletiva minimizando ações intrusivas na estrutura dos apartamentos. Vale salientar, que com a medição individualizada e o monitoramento contínuo dos gastos em todas as saídas de água os usuários tem a chance de adotarem hábitos conscientes de consumo. Com o protótipo foi possível realizar testes com o sistema que se mostraram eficazes. Para a ampliação do sistema, basta inserir o novo código de identificação no supervisório. Inicialmente na programação do LabView, contudo o sistema possui recursos para gerar formulários de cadastro de ponto de consumo. No caso de alteração da tecnologia de comunicação, do RF Link para qualquer outra, basta respeitar o padrão da palavra de 7 Bytes sendo os quatro primeiros o código de identificação do ponto e os três últimos a frequência do medidor que nenhuma alteração será necessária no sistema. Outro ponto a ser destacado, que para rodar o sistema não é necessário a instalação do LabView, apenas do executável do supervisório, o que viabiliza o projeto, pois não requer a compra de licença pelo usuário. Para aprofundar os estudos do sistema seria interessante testes reais em apartamen- tos,o que exigiria um estudo mais aprofundado a respeito da interferência da humidade no circuito e sistema de proteção à prova de água. No presente trabalho a água não interferiu no circuito. Também seria importante, o teste de sensores não intrusivos, como sensores eletro- magnéticos. E que estes sensores possuíssem indicação de nível de bateria, para proporcionar ações preventivas nos dispositivos. Como sugestão para trabalhos futuro pode-se citar o estudo de um sistema redun- dante e de buffer, inserindo por exemplo um módulo de cartão de memória no receptor para que grave os dados de consumo mesmo sem o sistema supervisório. — 60 Referências Tese (Doutorado) — Deoartamento de Engenharia Ambiental, Universidae Federal do Espírito Santo, Vitória, 2011. Citado na página 24. MESQUITA, M. J. C.; NETO, J. C. G.; ALMEIDA, W. R. M. Sistema de controle e supervisão residencial utilizando a plataforma Arduino. In: Computer on the Beach. [S.l.: s.n.], 2014. p. 350–359. Citado na página 26. MIRANDA, F. F.; MIYAMOTO, J.; KóS, J. R. Sistemas de Automação Residencial Construindo Hábitos Sustentáveis nos Moradores. In: XVII Congreso de la Sociedad Ibroamericana de Gráfica Digital. [S.l.]: Blucher Design Proceeding, 2014. v. 1, p. 567–571. Citado na página 27. NATIONAL INSTRUMENTS. National Instruments. 2018. Disponível em: <http://www.ni.com/pt-br.html>. Acesso em: 18 de jan. 2018. Citado 2 vezes nas páginas 37 e 38. NEVES, M. Comissão aprova obrigatoriedade de medidores individuais de água em prédios. 2014. Disponível em: <http://www2.camara.leg.br/camaranoticias/noticias/CIDADES/ 467545-COMISSAO-APROVA-OBRIGATORIEDADE-DE-MEDIDORES.html>. Acesso em: 21 de jun. 2015. Citado na página 24. OLIVEIRA, D. V. G.; PETREK, J. F. Sistema de automação residencial controlado via web. 170 p. Tese (Doutorado) — Universidade Tecnolófica Federal do Paraná, Curitiba, 2014. Citado 2 vezes nas páginas 26 e 27. OLIVEIRA, M. A. A. Desenvolvimento de um medidor de vazão termal inteligente. 114 p. Tese (Doutorado) — Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2010. Citado na página 26. OLSSON, C. M. C. Comunicação Por Radio Controladores Lógicos Controladores Lógicos Programáveis ( Clp ). p. 60, 2013. Citado na página 43. SANT’ANA, D.; BOEGER, L.; MONTEIRO, L. Aproveitamento de águas pluviais e o reúso de águas cinzas em edifícios residenciais de Brasília – parte 1 : reduções no consumo de água. Água e Sociedade, Paranoá, Brasília, n. no 10, p. 77–84, 2013. Citado na página 24. SILVA, A. D. C.; ROCHA, L. V.; MACHADO, A. P.; GUTIERREZ, D. M. G.; SANTOS, L. S.; GUTIERREZ, C. B. B. Sistema de automação para captação de águas pluviais e gerenciamento hídrico residencial utilizando aplicativo móvel. Revista Espacios, v. 38, n. No 19, p. 31, 2017. Citado na página 27. SILVA, S. R. D. S. Avaliação Do Sistema De Medição Individualizada De Água Em Prédios Populares Situados Na Cidade Do Salvador Bahia. 168 p. Tese (Doutorado), 2010. Citado 2 vezes nas páginas 23 e 24. SNIS. Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento – SNIS. Diagnostico dos Serviços de Água e Esgotos-2015, p. 212, 2017. Citado na página 24. SOUZA, R. d. L. e. Automação de chuveiro com misturador de água quente/fria através de controle de temperatura e vazão da água. 100 p. Tese (Certificado de Conclusão de Curso) — Centro Universitário de Brasília, Brasília, 2012. Citado na página 35. Referências 61 STUDIO, W. YIFA the plastics Ltd Prodcut Introduction. p. 1, 2013. Disponível em: <http: //www.seeedstudio.com/wiki/index.php?title=G1/2{\_}Water{\_}Flow{\_}sens>. Citado na página 42. SUZY, D. S. Desenvolvimento e implementação de um sistema de supervisão e controle cesidencial. 62 p. Tese (Doutorado) — Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2009. Citado 2 vezes nas páginas 26 e 31. THOMAZINI, D.; ALBUUQERQUE, P. U. B. Sensores Industriais: Fundamentos e aplicações. 4a. ed. São Paulo: Editora Érica LTDA, 2005. Citado 2 vezes nas páginas 33 e 34. UOL. Nível do sistema Cantareira cai para 5,5% e atinge seu nível mais crítico. São Paulo, 2014. Disponível em: <http://noticias.uol.com.br/cotidiano/ultimas-noticias/2014/10/08/ nivel-do-sistema-cantareira-cai-para-55-e-atinge-seu-nivel-mais-critico.htm>. Acesso em: 21 de jun. 2015. Citado na página 23. VIEIRA, A. M. Dispositivo para micromedição remota de consumo de água. Tese (Doutorado) — Intituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina, Florianópolis, 2014. Citado 2 vezes nas páginas 34 e 36. VIGNES, V. U.; DUTRA, M. K.; MIHOMUM, R. L.; ROHLOFF, R. C. Sistema inteligente de gestão de água predial. In: III Seminário de Tecnologia Inovaçao e Sustentabilidade. [S.l.: s.n.], 2014. p. 319–329. Citado na página 27. 65 APÊNDICE A – Código Módulo Transmissor #include <VirtualWire.h> int contaPulso = 0; //Variável para a quantidade de pulsos char in; char msg[4]; char dados[8]; char ID[4] = "0102"; void setup(){ Serial.begin(9600); //Inicia a serial com um baud rate de 9600 pinMode(2, INPUT); pinMode(7, OUTPUT); attachInterrupt(0, incpulso, RISING); //Configura o pino 2(Interrupção 0) para trabalhar como interrupção vw_set_ptt_inverted(true); vw_setup(2000); } void loop (){ memset(&dados, 0, sizeof (dados) ); digitalWrite(7, HIGH); contaPulso = 0; //Zera a variável para contar os giros por segundos sei(); //Habilita interrupção delay (1000); //Aguarda 1 segundo cli(); //Desabilita interrupção Serial.println(contaPulso); sprintf(msg, "%d", contaPulso); // essa função converte o valor inteiro de "valor" para const char em "msg" strcat(dados, ID); //concatena i ID com o valor contapulso strcat(dados, msg); digitalWrite(13, true); // Flash a light to show transmitting vw_send((uint8_t *)dados, strlen(dados)); delay(100); digitalWrite(13, false); } void incpulso (){ contaPulso++; //Incrementa a variável de contagem dos pulsos } 67 APÊNDICE B – Código Módulo Receptor #include <VirtualWire.h> int aux[55]; int j=0; int c=0; int ID[4],ID_aux[8],contaPulso_aux; float contaPulso=0,vazao=0; char in; void setup() { Serial.begin(9600); //Configurando Comunicação vw_set_ptt_inverted(true); vw_setup(2000); vw_rx_start(); } void loop() { contaPulso=0; uint8_t buf[VW_MAX_MESSAGE_LEN]; uint8_t buflen = VW_MAX_MESSAGE_LEN; if (vw_get_message(buf, &buflen)) { int i; //CONVERTE TABELA ASCII for (i = 0; i < 4; i++) { ID[i]=buf[i]-48; //Serial.print(ID[i]); } if(buf[4]!=48) { for (i = 4; i < buflen; i++) { aux[i]=buf[i]-48; } j=i; while(j != 1){ c=i-j; contaPulso=contaPulso+aux[c]*pow(10,(i-1)-c); j--; } contaPulso=contaPulso+aux[i-1]; } else{ contaPulso=0; } contaPulso_aux=(int)contaPulso; Serial.print(ID[0]); Serial.print(ID[1]); Serial.print(ID[2]); Serial.print(ID[3]); if((contaPulso_aux/100)<1){ Serial.print('0'); } if((contaPulso_aux/10)<1){ Serial.print('0'); } Serial.print(contaPulso_aux); //Imprime na serial o valor da vazão } } 71 APÊNDICE D – Telas supervisório Figura 29: Tela supervisório: Histórico de de consumo de água na cozinha. Figura 30: Tela supervisório: Histórico de de consumo de água na descarga. 72 APÊNDICE D. Telas supervisório Figura 31: Tela supervisório: Histórico de de consumo de água na máquina de lavar. Figura 32: Tela supervisório: Histórico de de consumo de água na pia do banheiro. 75 ANEXO A – Especificações Arduino UNO Tabela 1: Especificações Arduino UNO Microcontrolador ATmega328 Tensão operacional 5V Tensão de entrada (recomendado) 7-12V Tensão de entrada (limites) 6-20V Pinos Digitais I/O 14 (Possibilidade de 6 saídas PWM) Pinos Analógicos de entrada a 6 Corrente DC por pino de I / O 40 mA Corrente DC 3.3V por pino 50 mA Memória Flash 32 KB (ATmega328) SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Frequêcia do clock 16 MHz Comprimento 68,6 mm Largura 53,4 mm Peso 25g Fonte: (ARDUINO, 2015) 77 ANEXO B – Especificações Sensor de Fluxo Tabela 2: Especificações do FS300A G3/4” Tensão de alimentação 5V - 24V Tensão do pulso de saída (Nível alto) >4.5 (VDC 5V) Tensão do pulso de saída (Nível alto) <0.5 (VDC 5V) Corrente Máxima 15mA (5VDC) Taxa de Fluxo 1 - 60L/min Temperatura de operação 0oC - 80oC Temperatura do Líquido < 120oC Umidade de operação 35% - 90%RH Pressão de operação <1.75MPa Precisão 3% Fonte:(FS300A, 2015)