Tese Diogo Bastos.pdf

Diogo Carlos Chasqueira de Bastos

Monitorizao e diagnstico automtico decadeias de frio

Tese de mestrado em Mestrado Integrado em Engenharia Fsica

Setembro/2016

Diogo Carlos Chasqueira de Bastos

Monitorizao e diagnsticoautomtico de cadeias de frio

Dissertao apresentada Faculdade de Cinciase Tecnologia da Universidade de Coimbra paracumprimento dos requisitos necessrios obtenodo grau de mestre em Engenharia Fsica.

Supervisores:Francisco Jos de Almeida Cardoso (Universidade de Coimbra)Rafael Patrcio Balaus Jegundo (Whitesmith, Lda)

Coimbra, 2016

ResumoNeste documento, apresentado um ano letivo de trabalho dedicado ao desenvolvi-mento de um produto de superviso centralizada e remota de cadeias de frio, o Qold.Usando uma rede de dispositivos monitorizam-se cmaras de frio e em combinaocom uma aplicao Web e mobile simples e intuitiva, os dados podem ser consulta-dos em tempo-real e situaes indesejadas reportadas evitando possveis danos. OQold, apesar de validado, precisava de ser melhorado. Foi da minha responsabilidadedesenvolver esta prxima iterao relativa aquisio de dados.

AbstractIn this report, an academic year of dedicated work to the development of a remotecentralized cold chain monitoring product - Qold - is presented. Using a network ofdevices to monitor a cold chain, in combination with a simple and intuitive mobileand web application, data can be consulted in real time and unwanted situationsreported, avoiding possible damage. Qold, although validated, was in need of im-provement. It was my responsibility to develop this next iteration regarding dataacquisition.

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Agradecimentos

Guardar uma pgina, um captulo ou simplesmente umas palavras perdidas entretantas uma forma, pequena mas grande, de poder deixar os meus pensamentos,sentimentos e claro, agradecimentos a todas as pessoas que fizeram parte desta etapada minha vida. No se trata apenas de escrever uma projeto que conclui uma carreiraacadmica, trata-se de um marco importante na histria do meu crescimento pessoal.No acredito num ser humano capaz de crescer sozinho, isolado, sem depender doprximo, como tal, se hoje sou quem sou e se hoje posso estar a escrever estasreflexes de finalista, devo-o a pessoas de carcter distinto.Quem mais poderia ser a pessoa que mais merece o meu maior e mais sincero agra-decimento seno a minha prpria me? Mais do que ser a pessoa com maior res-ponsabilidade sobre quem sou hoje, mais do que a minha educadora, mais do que apessoa que me sustenta e sustentou, a minha me quem eu mais admiro. Aprendio verdadeiro significado de resilincia, fora de vontade e determinao contigo me.Sempre me disse que a sua maior luta era dar-me as ferramentas necessrias para serum bom Homem, capaz de me governar, capaz de resolver os meus prprios desafiose fantasmas. Vencer esta luta passa claro por terminar este percurso acadmico comsucesso. Espero que hoje te tenha dado esta felicidade me!Padrinho, madrinha e Tiago, ou por outras palavras, famlia. Crescer numa famliaunida pelo verdadeiro amor foi uma sorte que tive e por isso estou imensamentegrato. Qualquer sucesso que consiga na minha vida estar sempre relacionado comtudo o que me deram.Uma vez tive um professor que me disse: "Em engenharia importante fazermoso que gostamos, mas no basta ficarmo-nos pelo didtico e pelo ldico, um enge-nheiro faz algo que seja necessrio, que represente uma soluo". Estas palavrassbias mudaram a minha maneira de ver o meu futuro. Antes usava muito do meutempo a usufruir da tecnologia e dos meus conhecimentos para fazer coisas que medivertiam mas que no passavam disso. Percebi que possvel responder a necessi-dades maiores que simplesmente o meu entretenimento. Passei a ver a Engenhariacomo uma maneira de ser til para a sociedade, a prpria escolha desta dissertaopassou exatamente por isso, fazer algo relevante. Esse professor tornou-se no meuorientador. Um forte agradecimento ao Dr. Francisco Jos de Almeida Cardoso.Ter sempre as palavras certas para dizer, dar nimo quando preciso e saber comome fazer querer ir mais alm, so capacidades do meu orientador e mentor RafaelJegundo. Este projeto fez-me aprender imenso, fez-me testar tudo o que achava quesabia e finalmente, fez-me fazer engenharia fsica (se que existe tal coisa como fazerengenharia fsica). Nada disto teria sido possvel fora da esfera da Whitesmith. Detodos os intervenientes que me ajudaram, queria dar uma meno especial ao LusAntunes, que sem ele e sem o trabalho realizado por ele este projeto no existiria e aoJos Ribeiro, pois no s me ajudou a ultrapassar momentos de grande frustrao,como tambm teve o carcter formativo de me ensinar a no voltar a passar por elesoutra vez. Foram algumas horas durante algumas madrugadas em que as coisas nofuncionavam, mas se no fosse assim, qual seria a piada?Por falar em momentos de frustrao, que melhor maneira de os ultrapassar senocom os meus colegas em situaes semelhantes? Momentos como estes solidificam

vii

a amizade e marcam a diferena entre amigo e colega de curso. E pluribus unum(de muitos, um), gosto de pensar que hoje todos terminamos um curso mas s oterminamos porque soubemos cooperar. Claro que todos soubemos como celebraraps ultrapassados os maiores desafios. Este no um pargrafo dedicado aoscolegas de curso, sim um pargrafo dedicado aos meus amigos. No posso falar deamizade sem referir os amigos de longa data que guardo para a vida.Passei estes agradecimentos a defender a premissa de que este perodo se traduziuem mais do que um projeto acadmico, traduziu-se na construo de um carcter.Qualquer construo necessita de ferramentas prprias. Concentrao, controlo,auto-confiana e capacidade de enfrentar uma luta foram algumas das ferramentasque o meu Sensei Pedro Seguro me transmitiu. No s foi um verdadeiro mestre deKarate, como tambm soube sempre compreender esta fase da minha vida estandosempre presente.A todos, um valente obrigado!

Diogo de Bastos, Coimbra, Setembro 2016

viii

ndice

Lista de Figuras xiii

Lista de Tabelas xv

Siglas xvii

Glossrio xix

1 Introduo 11.1 Motivao, mbito e objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Estrutura do documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Superviso centralizada e remota de ativos: o caso de cadeias defrio 52.1 Gesto de ativos industriais: noes gerais . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Grandezas fsicas e fatores operacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Sensorizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3.1 Sensores de temperatura e de humidade . . . . . . . . . . . . 62.3.2 Detetar abertura de porta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.3 Deteo de atividade de cmaras de frio: deteo de corrente . 132.3.4 RTC - Real-time clock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 Solues: uma viso do mercado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4.1 Monnit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4.2 Kelsius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.4.3 FreshTemp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4.4 GrupoPIE - Winrest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.4.5 Testo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.4.6 Temperature@lert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.4.7 Domopor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.4.8 Eclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.4.9 Outras empresas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.4.10 O mercado do Qold: Coimbra e instalaes piloto . . . . . . . 30

2.5 Enquadramento final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3 Arquitetura do sistema 333.1 Estruturao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1.1 Sensorizao de uma cmara frigorfica . . . . . . . . . . . . . 34

xi

ndice

3.1.2 Gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1.3 N da Internet e n do cliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.1.4 Protocolos de comunicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.2 Integrao funcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.2.1 Consulta de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.2.2 Central de alarmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.2.3 Compatibilidade com a verso anterior . . . . . . . . . . . . . 51

4 Aquisio de dados no interior de uma cmara de frio 534.1 Desenvolvimento do n de sensorizao . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.2 Estruturao dos dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5 Unidade concentradora de dados e gateway 595.1 Deteo de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.2 Tratamento de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6 Concluses e consideraes futuras 656.1 Consideraes sobre o estgio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656.2 Cumprimento dos objetivos e trabalho futuro . . . . . . . . . . . . . . 65

Referncias 67

A Anexo 1: Ficha de componentes I

xii

Lista de Figuras

2.1 Exemplo de um termistor do tipo NTC com uma resistncia de 10K temperatura ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Exemplo de uma termoressistncia de camada fina[14] . . . . . . . . . 82.3 Exemplo de uma configurao de dois fios de um Resistance Tempe-

rature Detector (RTD)[14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4 Exemplo tpico do funcionamento de um termopar . . . . . . . . . . . 92.5 Exemplo de uma montagem eltrica de um termopar[14] usando LM35DZ

como sensor de temperatura de referncia[21] . . . . . . . . . . . . . . 102.6 Exemplo demonstrativo do efeito de Hall[26] . . . . . . . . . . . . . . 122.7 Aplicao de um sensor de efeito de Hall para detetar abertura e fecho

de porta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.8 Clula fotoeltrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.9 CST-1015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.10 Diagrama esquemtico de funcionamento do CST-1015[29] . . . . . . 142.11 Esquema de operao de um Real-Rime Clock (RTC) da Maxim, o

DS1307[30] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.12 MNS-9-W1-TS-ST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.13 MNS-9-W2-TS-ST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.14 MNS-9-IN-TS-ST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.15 MNS-2-WF-TS-ST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.16 MNG-9-EG-EGW, gateway sem fios com ligao por ethernet . . . . 202.17 Diagrama de funcionamento do FoodCheck . . . . . . . . . . . . . . . 212.18 Diagrama de funcionamento do ColdCheck . . . . . . . . . . . . . . . 222.19 Dispositivos FreshSense . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.20 Representao do funcionamento do FreshProbe . . . . . . . . . . . . 232.21 Exemplo da utilizao de um termmetro por contacto da Testo . . . 252.22 Testo 174 T - Mini data logger de temperatura . . . . . . . . . . . . . 252.23 Testo 176H1 - Sensor de temperatura e humidade relativa . . . . . . . 262.24 Testo 184T2 - Data logger para superviso da temperatura durante

o transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.25 Temperature@lert - edio Wi-Fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.26 Aplicao TCS.wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.27 Imagem genrica de um iButton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1 Diagrama de blocos da representao geral da arquitetura do sistema 343.2 Figura ilustrativa da hierarquia de hardware . . . . . . . . . . . . . . 35

xiii

Lista de Figuras

3.3 Esquema da configurao de pinos do ATmega328 . . . . . . . . . . . 363.4 Esquema do microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.5 Esquema de montagem do termistor e da clula fotoeltrica . . . . . . 373.6 Esquema de montagem do RTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.7 Esquema de montagem do mdulo de comunicao por radiofrequn-

cia na banda Industrial, Scientific and Medical Radio Bands (ISM)dos 433 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.8 Esquema das ligaes externas do dispositivo . . . . . . . . . . . . . . 413.9 Esquema da hierarquia da gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.10 Diagrama de pinos do Raspberry Pi A+ . . . . . . . . . . . . . . . . 423.11 Visualizao de dados no Website do Qold . . . . . . . . . . . . . . . 433.12 Diagrama geral dos processos de transmisso de dados . . . . . . . . 443.13 Configurao bsica de um Bus Inter-Integrated Circuit (I2C)[84] . . . 453.14 Configurao bsica de um Bus Serial Peripheral Interface (SPI)[85] . 463.15 Fluxograma explicativo do n de sensorizao . . . . . . . . . . . . . 473.16 Fluxograma explicativo da gateway no processo de comunicao . . . 493.17 Evoluo da temperatura medida numa cmara frigorfica . . . . . . . 51

4.1 Prottipo Breadboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.2 Imagem representativa do desenho do PCB (ondeU1 designa o CC1101

e A1 a ficha SMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.3 Printed Circuit Board (placa de circuito impresso) (PCB) despovoada 554.4 Placa do n de sensorizao povoada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.5 Formato do pacote de dados[79] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.1 Representao esquemtica do circuito de deteo de corrente . . . . 595.2 Sinal sada do CST-1015 com uma resistncia de 4,7 K com o

eletrodomstico ligado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.3 Sinal sada da ponte retificadora de onda completa . . . . . . . . . 605.4 Sinal sada da retificao com a cmara desligada . . . . . . . . . . 605.5 Sinal sada da retificao com a cmara ligada . . . . . . . . . . . . 615.6 Prottipo laboratorial para prova de conceito da deteo de corrente . 625.7 Esquema do tratamento geral do payload na gateway at ao utilizador 63

xiv

Lista de Tabelas

2.1 Comparao das especificaes dos sensores DHT11, AM2302 e SHT71 112.2 Valores analgicos aproximados utilizando uma clula fotoeltrica

com uma resistncia pulldown com uma alimentao de 5V[28] . . . . 132.3 Tabela demonstrativa da relao V/A em funo do valor da resis-

tncia de RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.1 Estrutura do payload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

xv

Siglas

Balun Balanced to Unbalanced. 54

ADC Analog-to-Digital Converter . 57

CAD Computer Aided Design, desenho assistido por computador. 2CRC Cyclic Redundancy Check . 39, 49, 56, Glossrio: CRCCTR Current Transformer Ratio. 14

HACCP Hazard Analysis and Critical Control Point . 1, 28, 43, 50, 57, Glossrio:HACCP

HVAC Heating, Ventilating, and air Conditioning. 17

I2C Inter-Integrated Circuit. xiv, 38, 41, 45IoT Internet of Things. 1, 33, 41IP Internet Protocol. 31ISM Industrial, Scientific and Medical Radio Bands. xiv, xx, 35, 39, 40, 49, 50, 53,

63ITU International Telecommunication Union. 39, 71

JSON JavaScript Object Notation . 49, Glossrio: JSON

LDO Low-Dropout Regulator . 36

MISO Master In, Slave Out. 45, 46MKT Mean Kinetic Temperature. 26, 27MOSI Master Out, Slave In. 45, 46

NFC Near Field Communication. 27NTC Negative Temperature Coefficient - Coeficiente negativo de temperatura. xiii,

6, 7, 16nvRAM Non-Volatile Random-Access Memory. 38, Glossrio: nvRAM

PCB Printed Circuit Board (placa de circuito impresso). xiv, 2, 35, 54, 55, 65, 66,71

PQI Preamble Quality Indicator . 39PTC Positive Temperature Coefficient - Coeficiente positivo de temperatura. 6PWM Pulse-Width Modulation . 61, Glossrio: PWM

RF Radiofrequncia. 33, 39, 51, 53, 55RFID Radio-Frequency Identification (RFID) . 66, Glossrio: RFID

xvii

Siglas

RSSI Received Signal Strength Indication. 24, 39RTC Real-Rime Clock . xiii, xiv, 15, 34, 38, 48, 53, Glossrio: Relgio em tempo

realRTD Resistance Temperature Detector . xiii, 6, 8, 9, 29

SASUC Servios de Ao Social da Universidade de Coimbra. 30SCK System Clock. 46SCL Serial Clock Line. 38, 45SDA Serial Data Line. 38, 45SMS Short Message Service. 17, 21, 24, 28, 43, 51SPI Serial Peripheral Interface. xiv, 3941, 45, 46, 58SQL Structured Query Language . 49, Glossrio: SQLSS Slave Select. 46

TCP Transmission Control Protocol. 31

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter . 41USB Universal Serial Bus. 20, 26, 27, 30, 41

xviii

Glossrio

Crosstalk fenmeno quando o sinal transmitido num circuito ou canal causa umsinal indesejado noutro circuito ou canal. 54

Mobile Broadband termo utilizado para descrever o acesso Internet via ummodem porttil, um telemvel, um modem USB sem fios ou outros dispositivosmveis. 33

Unix time sistema usado para descrever momentos no tempo. Definido como onmero de segundos que passaram desde o incio do dia 1 de Janeiro de 1970.57

buffer regio de memria fsica utilizada para armazenar temporariamente os dadosenquanto estes esto a ser alocados. 56

gateway mquina intermediria destinada a interligar redes com protocolos dife-rentes. xiii, xiv, 24, 16, 19, 20, 2224, 27, 31, 33, 35, 4043, 4751, 53, 56,58, 6063, 66

ativo termo que permite expressar tudo, tangvel ou no, que num determinadomomento, patrimnio de uma entidade e representa um valor econmico.Pode ser um bem material, um equipamento, um crdito, uma marca, umapatente, software registado, entre outros. 3, 5, 30

Bus em arquitetura de computadores, um bus um sistema de comunicao quetransfere informao entre componentes computacionais. Este termo cobretodos os componentes de hardware e software necessrios para a comunicao.xiv, 45, 46

C++ uma das linguagens de programao mais usadas no mundo. uma lingua-gem que suporta vrios paradigmas e compila diretamente para o cdigo damquina. 50, 58, 63

CRC verificao de redundncia cclica (Cyclic Redundancy Check ) - mtodo paraidentificao de erros usada tipicamente em redes digitais e dispositivos dearmazenamento para detetar mudanas acidentais de dados. Os blocos dedados so sujeitos a uma verificao de um valor que adicionado ao finaldo pacote. Se na receo e aps esta verificao os valores coincidirem, aprobabilidade de ter havido corrupo de dados baixa. xvii, 39

data logger dispositivo eletrnico que regista dados ao longo do tempo ou emrelao a uma localizao. Por norma este registo feito com um sensorincludo ou atravs de um instrumento externo. xiii, 2426, 29, 30

xix

Glossrio

Gerber formato vetorial em open ASCII para imagens binrias a duas dimenses. muito usado para circuitos impressos e na indstria da eletrnica para gerarimagens com as diferentes camadas de cobre, solda, legenda, etc. 2

Golang linguagem de programao open source compilada criada pela Google. 63

HACCP sistema HACCP Anlise de Perigos e Controlo dos Pontos Crticos -estabelece os requisitos de higiene e segurana alimentar para todas as em-presas que transformam, armazenam, transportam e comercializam gnerosalimentcios, permitindo analisar as atividades realizadas, controlar e preveniros perigos associadas s mesmas[1]. xvii, 1, 2, 21, 22, 24

JSON formato de dados que usa texto human-readable para transmitir objetos dedados que consistem em pare atributo-valor. xvii, 49

nvRAM memria do tipo RAM mas que no perde a informao quando esta perdea alimentao. xvii, 38

PWM tcnica de modulao usada para controlar o valor da tenso de um sinal.O valor mdio depositado alimentado a uma carga ou a um dispositivo, sercontrolado por fazer alterar o estado do interruptor que controla a alimentaoentre a fonte e a carga. Quanto mais tempo o interruptor estiver ligado emrelao ao tempo que est desligado, maior ser o valor da tenso mdia e porconsequncia da tenso percecionada pela carga. Para que este efeito ocorra,a frequncia desta tcnica tem de ser muito superior h frequncia que afetariaa carga ou o dispositivo em questo. xvii, 61

Relgio em tempo real (real-time clock) - circuito integrado que mantm o con-trolo do tempo presente. xiii, xviii

RFID tecnologia que usa campos eletromagnticos para automaticamente identifi-car etiquetas vinculadas a ativos. As etiquetas contm informao guardadaeletronicamente. Estas etiquetas so passivas e colecionam energia de leitoresprximos por radiofrequncia. xvii

SQL linguagem de programao para gerir dados num sistema de gesto de basede dados relacional. xviii, 49

SQLite biblioteca de software que implementa um motor de SQL auto-suficiente,sem necessidade de servidores e sem configurao prvia. 49

Wi-Fi tecnologia que permite a conexo de dispositivos eletrnicos a uma rede derea local sem fios (WLAN) usando maioritariamente as gamas ISM de 2,4GHz e 5 GHz. xiii, 19, 22, 27, 28, 30, 33, 39, 41, 43, 53

xx

1Introduo

A Whitesmith, Lda[2] fundada em 2012 uma empresa que nasceu no seio do mundodigital. Esta projeta e constri produtos de raiz. Estes produtos vo desde asreas de Internet of Things (IoT) com desenvolvimento de software e hardware ataplicaes Web e mobile convergindo em produtos que resolvem problemas reais eproporcionam uma tima experincia de uso ao utilizador. No fundo, uma equipaque usa a tecnologia para tornar melhor a vida dos seus clientes.Um dos produtos da Whitesmith, Lda o Qold[3]. O Qold um sistema integradode registo e monitorizao automtica de temperaturas idealizado para responder snormas de qualidade Hazard Analysis and Critical Control Point (HACCP). Muitomais do que um simples termmetro sem fios, o Qold comercializado tambm comuma componente de servio de gesto centralizada e remota de cmaras frigorficas.No presente momento, est dirigido para a monitorizao de temperatura em cadeiasde frio na restaurao. Opera entre os -40C e os +130C, tem a capacidade de geraralertas por telefone, monitorizar em tempo-real a temperatura e gerar relatrioscapazes de responder s exigncias das normas HACCP, de forma autnoma.Com o objetivo de aperfeioar e melhorar desenvolvendo a prxima iterao doQold, foi-me apresentado este projeto. O desafio foi melhorar este produto tantoa um nvel tecnolgico, como a um nvel de soluo global para o cliente, criandovalor para o cliente atravs de um enriquecimento funcional. Para isso, foi necessrioanalisar o dispositivo atual, a arquitetura de sistema, contactar potenciais clientes,fazer instalaes e testar o produto em si. Mais do que conseguir desenvolver umprottipo funcional, foi necessrio mold-lo s necessidades do cliente.Para atingir uma meta preciso percorrer um caminho primeiro, nem sempre diretoe fcil. No incio do ano foi necessrio compreender o modelo atual e como estefunciona, ser capaz de montar um dispositivo e aprender a soldar. Depois, entendero software e ser capaz de introduzir melhorias, como por exemplo, detetar mudanasde temperatura abruptas e relatar esse valor. Inicialmente o dispositivo media atemperatura em intervalos espaados de trinta minutos e no tinha esta funode relatar variaes drsticas. Aps entender o modelo atual, iniciaram-se doisprocessos: comear a idealizar o dispositivo a desenvolver e iniciar contacto comclientes. Como um projeto de engenharia no pode s beber da imaginao h quefazer pesquisa de componentes eletrnicos, comparao de preos e perceber quaisas limitaes de cada componente. Ao contactar com clientes, comecei a percebero que eles procuram num produto deste tipo e como que se poderia arranjaruma soluo do ponto de vista tecnolgico para esses problemas. Estando estesrequisitos reunidos, iniciou-se a altura de comear a desenvolver o dispositivo emsi. Faz parte deste processo, usar um microcontrolador, fazer condicionamento de

1

1. Introduo

sinal, desenvolver o firmware tanto do sensor como da gateway, testar, melhorar econtinuar esta iterao de desenvolvimento, teste e melhoria. Aps ter chegado aum prottipo satisfatrio, chegou a altura de comear a desenhar a placa de circuitoimpresso com recurso ferramenta de Computer Aided Design, desenho assistido porcomputador (CAD), Altium Designer. Esta foi usada para o desenho dos esquemas,do PCB e para a gerar ficheiros do tipo Gerber para a sua produo.No final deste projeto quer-se um produto pronto a vingar no mercado.

1.1 Motivao, mbito e objetivos

Motivao

Durante o meu perodo acadmico tive sempre a ambio de poder desenvolveralgo com relativo impacto no mundo, isto , produzir um dispositivo que no fossesomente ldico, que eu usasse momentaneamente e que depois ficasse perdido. Comeste projeto tive a oportunidade pela qual esperei durante estes cinco anos. umproduto real que vem colmatar uma necessidade.Claro que este projeto no teria surgido se aWhitesmith, Lda no tivesse reconhecidouma necessidade no mercado. Esta procura culminou no produto que o Qold.Portanto, a minha motivao partilhada com a empresa. Ambicionamos que oimpacto do Qold seja suficiente no mercado de forma a torn-lo um produto desucesso.

mbito

Como boa prtica de engenharia importante documentar todos os projetos e an-gariar informao necessria para justificar todas as decises tomadas. Este docu-mento surge como uma primeira tentativa, sendo uma tese de mestrado ser tambma ltima documentao das decises aqui tomadas. Para mais, relata o trabalho de-senvolvido no mbito da disciplina de Projeto, no ano letivo de 2015/2016, a serapresentado Faculdade de Cincias e Tecnologias da Universidade de Coimbra noDepartamento de Fsica, para a obteno de grau de Mestre em Engenharia Fsica.Este projeto desenvolvido no conjunto de tecnologias que cada vez mais se tornampresentes no nosso dia-a-dia e cada vez mais se tornam uma necessidade e no umluxo. Estou pois a falar de gesto centralizada e remota, para substituir um processoarcaico que o registo de temperaturas mo, processo este suscetvel a erros eesquecimentos. Sendo obrigao de todos os servios que envolvam a qualidadealimentar e cmaras frigorficas, garantir que as normas HACCP so respeitadas,quanto maior for o nmero de cmaras maior o tempo que se dedica ao cumprimentodesta obrigao e em qualquer negcio, tempo dinheiro. Surge ento o Qold e asua importncia. Surge ento esta dissertao.

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1. Introduo

Objetivos

Como foi mencionado, o objetivo primrio deste projeto desenvolver a prximaverso de um produto j existente, o Qold. Ser necessrio um esforo mtuo, de-dicado tanto a hardware como a software, para que, no final se obtenha tanto umdispositivo como uma gateway capazes de acrescentar valor ao produto j existente.Pretende-se transcender a melhoria tcnica procurando novas variveis e novas funci-onalidades que traduzem novas oportunidades de gesto e assim, permitem colmataras necessidades do mercado.Nesta fase, a evoluo procurada que constitui o objetivo ltimo deste projeto, con-templa duas vertentes: melhorar o desempenho do produto atualmente no mercado edesenvolver novas funcionalidades, correspondentes a novas oportunidades de gestocentralizada e remota de cmaras frigorficas.Na primeira vertente, ambiciona-se um produto: (i) mais fivel: com menos perdade dados entre o sensor e a gateway, (ii) mais enquadrado com as necessidadesdo mercado: compreender os seus problemas, resolvendo-os com a implementaode novas funcionalidades, (iii) mais prtico e fcil de instalar: o sensor no devenecessitar de fios, no deve ocupar muito espao, ser intrusivo para o cliente ou tervrios ns que compliquem a sua instalao, (iv) com maior alcance: a comunicaoentre o sensor e a gateway tem de superar a espessura das cmaras de frio metlicase (v) economicamente vivel: dirigido para pequenos e mdios estabelecimentos, ocusto de fabrico do sensor tem de ser tomado em conta procurando no ultrapassaros 25 AC.Na segunda vertente, que corresponde faceta mais importante deste trabalho,pretende-se alcanar autonomia de diagnstico, com capacidade de detetar preco-cemente anomalias potenciais, com base em critrios de variao de temperatura,perodos de porta aberta e deteo de funcionamento irregular de compressores,permitindo instalar critrios no mbito da gesto de ativos.

1.2 Estrutura do documento

Parte I - Introduo

Captulo 1: apresenta-se o enquadramento, a motivao e os objetivos deste pro-jeto. ainda feita uma referncia ao Qold e Whitesmith, Lda.

Captulo 2: de uma forma ordenada, do geral para o particular so apresentados eanalisados todos os elementos necessrios para a superviso centralizada e remota decadeias de frio. Primeiro, identificam-se as grandezas fsicas e fatores operacionaisintervenientes; em seguida, como os medir; depois, feita uma breve anlise demercado com as solues j existentes especificando o mercado em Coimbra; porfim, faz-se o enquadramento do produto que o Qold na sua totalidade.

3

1. Introduo

Parte II - Trabalho desenvolvido

Captulo 3: dedicado arquitetura de sistema. apresentado o n de senso-rizao e a gateway desenvolvida, bem como os esquemas feitos para os produzirem massa e completa-se a apresentao dos ns com uma breve discusso do n deInternet e do cliente. So ainda explicados os protocolos de comunicao usados ea integrao funcional do Qold.

Captulo 4: contm todo o desenvolvimento relativo ao n de sensorizao e es-truturao de dados. feita tambm referncia ao estado atual do sensor que seencontra sob fase de testes finais.

Captulo 5: informao relativa ao n da gateway com a deteo de corrente etratamento de dados.

Parte III - Concluso

Captulo 6: ponderaes finais sobre o projeto. A concluso divide-se em duasvertentes, consideraes sobre o estgio desenvolvido e o cumprimento dos objetivose trabalho futuro.

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2Superviso centralizada e remotade ativos: o caso de cadeias de frio

Da mesma forma que no possvel construir-se uma casa sem construir primeiro abase, no possvel desenvolver-se um projeto de tese de mestrado sem compreendero estado da arte sobre o qual esta assentar. Este captulo cumpre esse propsito,sendo o alicerce desta dissertao. Seguiu-se um caminho intuitivo do geral parao particular comeando por se compreender quais as grandezas fsicas em questo,que sensores as podem medir, que empresas j tentaram resolver este problema epor fim, como fazer chegar esta soluo aos clientes e de que forma a fazer chegar.

2.1 Gesto de ativos industriais: noes geraisAt h uns anos atrs, o termo de gesto de ativos estava comummente relacionadocom o gesto de ativos financeiros, traduzindo-se na preocupao com a gesto eorientao de investimentos para o aumento de lucros puramente concebidos sobreinvestimentos financeiros. Gesto de ativos industriais um conceito semelhanteque visa tambm maximizar o retorno de investimento, ao longo de todo o tempode vida til dos bens equipamentos utilizados.Uma boa gesto de ativos caracterizada por uma visibilidade sobre o processoclara e transversal a todos os intervenientes, desde a gesto estratgica at tarefaindividual.Em suma, o objetivos da gesto de ativos est demonstrado nos seguintes pontos:

Gastar menos para conseguir mais; Prolongar o tempo de vida do ativo atravs de boas prticas de utilizao; Gerir recursos com base na avaliao de risco; Compreender os sistemas como um todo e no como partes independentes; Ter uma perspetiva de planeamento a longo prazo; Primar para que todos os intervenientes compreendam as escolhas tomadas

Conclui-se portanto, que, a gesto de ativos na indstria um processo fulcral parao sucesso de uma organizao ou empresa[4].

2.2 Grandezas fsicas e fatores operacionaisNo caso das cadeias de frio h duas grandezas fsicas com especial importncia: atemperatura e a humidade relativa. A temperatura no s usada para regular o

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2. Superviso centralizada e remota de ativos: o caso de cadeias de frio

funcionamento de uma cmara frigorfica como o elemento essencial conservaode bens alimentares. Tratando-se de cadeias de frio, temperaturas prximas doponto de fuso da gua esto em jogo pelo que a humidade relativa uma grandezaque tambm sofrer variaes relevantes que nem sempre so desejveis.Os fatores operacionais decorrentes da corrente operao das mquinas podem influ-enciar o bom desempenho destas. Neste caso, destacam-se a deteo de abertura efecho de porta, pois influencia significativamente o isolamento das cmaras e a dete-o de arranque e paragem do compressor atravs de deteo de corrente eltricano respetivo circuito de alimentao , bem como o reconhecimento de padres deoperao.

2.3 SensorizaoCompreendidos os fatores e as grandezas fsicas envolventes, passa-se fase seguinte:como fazer a sua monitorizao. Isso mesmo discutido nesta seco, compreen-dendo os sensores e os componentes e circuitos eletrnicos em jogo para fazer asensorizao.Como um projeto que ter um impacto no mercado e na Whitesmith, tem dese ter em conta o preo dos componentes, perspetivar o tempo necessrio para osadicionar ao sistema e condicionantes extra, estes pontos sero tambm discutidose os preos sero usados de fornecedores como a Farnell[5], Mouser[6], Digi-Key[7]e PTROBOTICS[8] para que, posteriormente, seja possvel tomar a melhor decisosobre que material usar neste projeto de engenharia.

2.3.1 Sensores de temperatura e de humidadeSendo um servio que proporciona monitorizao de cmaras frigorficas faz sentidocomear pela principal grandeza fsica envolvida: a temperatura. Esta pode sermedida usando vrios tipos de sensores de temperatura[9], sendo estes mecnicosou eltricos. Neste trabalho, interessam os sensores eltricos porque facilitam a in-tegrao com o microcontrolador, so mais baratos e respondem perfeitamente snecessidade que o Qold vem solucionar. Dentro destes, ser dado foco a trs tiposde sensores: termistores, RTDs e termopares. Existem tambm sensores de tempe-ratura ticos, acsticos, piezoeletricos entre outros mas estes no sero abordadospois no so aplicveis para os objetivos do Qold.

Sensores de temperatura resistivos: termistor

Termistores so resistncias sensveis temperatura, exibem uma vasta, previs-vel e precisa mudana na sua resistncia eltrica quando sujeitos a variaes detemperatura[10]. Consoante o tipo de resposta estes podem ser classificados comoNTC, se a sua resistncia eltrica diminuir com um aumento de temperatura, ouPTC, se a sua resistncia eltrica aumentar com o aumento da temperatura.

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Figura 2.1: Exemplo de um termistor do tipo NTC com uma resistncia de 10 K temperatura ambiente

Dentro da indstria alimentar e processamento de alimentos, especialmente em locaisonde estes so guardados e preparados [11] usam-se termistores Negative Tempera-ture Coefficient - Coeficiente negativo de temperatura (NTC) devido sua curva deresposta.O comportamento da variao da temperatura em funo da resistncia eltrica deum termistor bem descrito atravs da equao de SteinhartHart, uma aproxima-o de terceira ordem deste fenmeno fsico.

1T

= a+ b.ln (R) + c.ln (R)3

(2.1)

Resolvendo a equao 2.1 em ordem resistncia eltrica R, obtm-se a equaoseguinte:

R = exp[(x 12y

) 13(x+ 12y

) 13]

(2.2)

com:

y = 1c

(a 1

T

);x =

( b3c

)3+(y

2

)2(2.3)

Visto que os termistores tipicamente usados no armazenamento de produtos alimen-tares so do tipo NTC, estes costumam ser caracterizados pelo parmetro B (ou )e ser este o valor encontrado nas datasheets. Para melhor entender este parmetro,considera-se

a =( 1T0

)( 1B

)ln (R0) ; b =

1B

; c = 0 (2.4)

na equao 2.1. Traduzindo-se em:

1T

= 1T0

+ 1B

ln(R

R0

)(2.5)

Onde o valor da temperatura (T ) em Kelvin e R0 o valor da resistncia eltrica temperatura T0 (298,15 K).O princpio bsico de funcionamento de um termistor NTC um fenmeno que podeser descrito da seguinte maneira: o aumento de temperatura de um semicondutoraumenta o nmero de portadores de carga promovendo-os banda de conduo;

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quanto mais portadores de carga esto disponveis, maiores correntes o semicondutorpode conduzir, ou, de outro modo, menor a resistncia eltrica que este oferece. ,pois, necessrio traduzir esta variao de resistncia eltrica numa variao de tensodentro da gama das tenses de entrada do microcontrolador utilizado. Uma formafcil e barata de obter este resultado passa por integrar o termistor num circuitodivisor de tenso[12].Estes sensores so bastante precisos e comummente usados, sendo fceis de encontrarpor valores muito baixos como, 0,42 AC comprados individualmente na Farnell, ou0,08 AC se comprados em elevadas quantidades.

Sensores de temperatura resistivos: RTD

Como o prprio nome diz, termo-resistncias metlicas[13] so sensores que variama sua resistncia eltrica com a temperatura, tal como os termistores. Com a funode medir variaes trmicas, um RTD consiste num fino fio enrolado num pedaode cermica ou vidro. Este metal por norma de platina, nquel ou cobre.A platina o principal metal usado pois tem a relao resistncia/temperaturamais estvel sobre a maior gama de temperatura entre os -272.5C e os 960C.Elementos de nquel tm uma gama de operao inferior pois a partir dos 300Ccomeam a ter um comportamento no-linear. J o cobre, tem uma relao linearresistncia/temperatura bem comportada; contudo oxida aos 150C pelo que no setorna vivel utilizar RTDs a temperaturas iguais ou superiores.A caracterstica que permite usar metais como elementos resistivos a aproximaolinear da resistncia eltrica com a temperatura entre os 0C e os 100C. A estacaracterstica associa-se um coeficiente , cuja unidade de medida C :

= R100 R0100R0(2.6)

Com R0, a resistncia eltrica do metal a 0C e R100, a 100C.

Figura 2.2: Exemplo de uma termoressistncia de camada fina[14]

A configurao mais simples[15] para a integrao de um RTD usa dois fios, umaponte de Wheatstone e uma alimentao[16].

8


Figura 2.3: Exemplo de uma configurao de dois fios de um RTD[14]

Conseguem-se RTDs na Farnell a comear pelo preo de 3,21 AC do tipo platina decamada fina, com uma gama de operao dos -200C aos 300C[17].As termorresistncias diferem dos termistores pois o material usado nos RTDs sometais puros e nos termistores so, geralmente, materiais cermicos ou polmerosde plstico. Os RTDs so especialmente teis sobre elevadas gamas de temperaturaao invs dos termistores que por norma conseguem melhor preciso num intervalolimitado de temperatura, tipicamente, dos -90C aos 130C[18]. Portanto os RTDsso menos sensveis a pequenas variaes de temperatura mas tm uma gama detemperatura maior[19].

Termopar

Ainda dentro do tpico de sensores de temperatura, existem os termopares. Quandoduas junes de dois tipos de condutores se encontram a diferentes temperaturas,gera-se uma diferena de potencial nas extremidades proporcional diferena detemperaturas entre as junes. Uma vantagem deste tipo de sensores aos supramen-cionados, que estes no necessitam de uma fonte de alimentao externa. Porm,tm uma desvantagem no que toca a preciso[20].

Figura 2.4: Exemplo tpico do funcionamento de um termopar

Existem vrios tipos de termopares sendo que o tipo K o mais comum e o maisusado com uma sensibilidade prxima dos 41 V/C. Como se tratam de variaesmuito pequenas de tenso costume montar-se um amplificador operacional bem

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como utilizar um sensor de temperatura de referncia para realizar a compensao dejuno fria, para se obter um valor mais preciso da temperatura. Na figura abaixo,est exemplificado uma possvel montagem.

Figura 2.5: Exemplo de uma montagem eltrica de um termopar[14] usandoLM35DZ como sensor de temperatura de referncia[21]

Encontram-se termopares com preos na ordem dos 5 AC por sensor.

Sensores de humidade e temperatura: DHT11, AM2302 e SHT71

H ainda sensores que para alm de medirem a temperatura, medem tambm ahumidade relativa. Relativamente bem documentados, o DHT11[22], o AM2302[23]e o SHT71[24] tornam-se a primeira opo para quem quer prototipar um dispositivoque necessite destas duas grandezas fsicas. Para desenvolvimento so relativamenteeconmicos com valores a rondar os 4-6 AC para o DHT11, 10-13 AC para o AM2302 e35-50 AC para o SHT71. Estes so circuitos integrados j praticamente prontos paraserem includos num dispositivo. importante comparar tempo de resposta, preciso, resoluo e gama de operao,tanto em relao temperatura como humidade.

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Tabela 2.1: Comparao das especificaes dos sensores DHT11, AM2302 e SHT71

DHT11 AM2302 SHT71Preo 4 - 6 AC 10 - 13 AC 35 - 50 AC

Humidade RelativaTempo de resposta 6s - 15s 2s 8sPreciso 5 % 2 % 3 %Resoluo (bit) 1 % (8) 0,1 % (8) 0,4 % (8) - 0,05 % (12)Gama de operao 20 % - 90 % 0 % - 100 % 0 % - 100 %

TemperaturaTempo de resposta 6s - 30s 2s 5s - 30sPreciso 1 C 0,5 C 0,4 CResoluo (bit) 2 C 0,1 C 0,04 C (12) - 0,01 C (14)Gama de operao 0 C - 50 C -40 C - 80 C -40 C - 123,8 C

O SHT71 aparenta ser o melhor sensor, tem maior preciso, e tem uma melhorcapacidade de resposta apesar de custar relativamente mais. O AM2302 parece sera escolha intermdia sendo que o DHT11 no tem preciso e resoluo aceitvel paraum produto que pretende ser comercializado como o Qold[25].

2.3.2 Detetar abertura de portaA deteo de porta aberta numa cmara frigorfica pode ser feita direta e indire-tamente. Diretamente, atravs de um sensor de efeito de Hall e indiretamente pordeteo da luminosidade. Visto que, por norma, as cmaras frigorficas usadas narestaurao esto equipadas de uma fonte de luz que acende sempre que a portaabre.

Sensores de efeito de Hall

Sensores de efeito de Hall so dispositivos que respondem com uma variao detenso presena de um campo magntico. So usados em aplicaes como in-terruptores de proximidade, de posio, deteo de velocidade e como sensores decorrente.Estes sensores operam, como o nome indica, sob os princpios do efeito de Hall.

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Figura 2.6: Exemplo demonstrativo do efeito de Hall[26]

Conceptualmente, o efeito de Hall observado quando um material condutor, comoo cobre por exemplo, transporta uma corrente, como ilustrado na Figura 2.6, emque a corrente fornecida por uma pilha. Medindo a tenso eltrica entre duas facesopostas e ortogonais direo da corrente, expectvel que se mea uma tensonula. Porm, quando um campo magntico aplicado perpendicularmente placade metal e ao fluxo de corrente, surge uma pequena tenso no voltmetro causadapelo desvio das cargas portadoras sob o efeito do campo magntico[26]. esteprincpio que permitir deduzir se uma porta est aberta ou fechada: colocando umman na porta que, quando fechada, fica a uma distncia suficiente para o sensor deefeito de Hall produzir uma tenso sempre que a porta abre, esta tenso ser nulae o microcontrolador poder inferir que a porta est aberta.

Figura 2.7: Aplicao de um sensor de efeito de Hall para detetar abertura e fechode porta

Estes sensores encontram-se com valores compreendidos entre 0,82 AC e cerca de 5 AC.Sendo que o preo aumenta quando incluindo o magnete e o suporte para montarna porta.

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Sensores de deteo de luminosidade

Para deteo de porta aberta, um dos sensores mais simples, mais baratos e maiseconmicos a clula fotoeltrica. Esta clula pode ser um tipo de sensor que varia asua resistncia eltrica consoante a intensidade luminosa. Em termos prticos podeser comparada a um termistor .

Figura 2.8: Clula fotoeltrica

A resistncia deste tipo de sensor diminui com o aumento de luz incidente, ou seja,este sensor apresenta fotocondutividade[27]. tambm igualmente simples de incorporar este tipo de sensor num sistema usandouma resistncia pulldown.

Tabela 2.2: Valores analgicos aproximados utilizando uma clula fotoeltrica comuma resistncia pulldown com uma alimentao de 5V[28]

Condies ambiente Intensidade luminosa (lux) Resistncia (K) Tenso (V)Corredor escuro 0,1 600 0,1Luz noturna 1 70 0,6Quarto escuro 10 10 2,5Quarto iluminado 100 1,5 4,3Dia nublado 1000 0,3 5

possvel adquirir estes sensores a partir de 0,88 AC.

2.3.3 Deteo de atividade de cmaras de frio: deteo decorrente

As cmaras de frigorfico tm um compressor que permite fazer a refrigerao dacmara. Este motor no est constantemente ligado, oscila sim entre perodos deligado e desligado tentando manter o ciclo de refrigerao ativo e uma temperatura

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mdia ideal. Por norma, este compressor controlado pelo termostato da prpriacmara. Compreender o padro de funcionamento, isto , se o compressor estou no ligado, se solicitado muitas vezes pode permitir inferir o bom ou maufuncionamento da cmara, bem como a boa ou m utilizao da mesma. Estepadro, de atividade do compressor ao longo do tempo, pode ser extrapolado apartir de um detetor de corrente que deteta os perodos em que esta solicitada eportanto, o compressor est ligado.Mais do que detetar corrente, h outras exigncias a ter em conta. Por exemplo,como detetar corrente de forma no intrusiva, se o sensor opera em corrente alternadaentre as frequncia de 50Hz e 60Hz, se tem um custo aceitvel para o cliente e setem uma sada digital na gama do microcontrolador. De salientar que necessriosimplesmente detetar corrente e no medi-la.Um sensor que responde a estas necessidade um transformador de corrente daTriad Magnetics, o CST-1015[29].

Figura 2.9: CST-1015

Um transformador de corrente um sensor que transfere energia eltrica entre circui-tos por efeito de induo eletromagntica. O sensor envolve um cabo eltrico no qualpassa uma corrente, corrente primria, que ir influenciar o circuito do sensor, pro-duzindo uma corrente neste, corrente secundria, segundo uma razo, denominadade Current Transformer Ratio (CTR).

Figura 2.10: Diagrama esquemtico de funcionamento do CST-1015[29]

Na Figura 2.10, a parte esquerda do circuito denominado por 1-turn primary (cir-cuito primrio) corresponde ao fio que atravessa o sensor e, no circuito da direitaencontram-se representadas as espiras do enrolamento em torno de um ncleo fer-romagntico, por onde ir passar a corrente secundria que permitir detetar a

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passagem de corrente no circuito primrio. As duas riscas transversais do esquemarepresentam o acoplamento magntico entre ambas as partes, que grandementeaumentado pelo ncleo respetivo. De salientar ainda a carga RL que permitir me-dir a tenso entre os ponto 1 e 2 adaptando a relao volt/ampre para as exignciasdo microcontrolador.

Tabela 2.3: Tabela demonstrativa da relao V/A em funo do valor da resistnciade RL

RL (K) V/A0,1 0,09710,5 0,44292 0,75085 0,9439

Por fim, este sensor tem um preo, dependendo das quantidades da encomenda,entre 6,54 AC e 4,15 AC na Mouser.

2.3.4 RTC - Real-time clock

O "Relgio de tempo real"(RTC) muito comum em dispositivos de monitorizaoem contnuo, a fim de possibilitar a aposio de marcas temporais aos dados obtidose s mensagens trocadas. Os RTCs so, por norma, circuitos de baixo consumo empotncia, que usam um oscilador de cristal externo para manter um registo precisodo tempo.

Figura 2.11: Esquema de operao de um RTC da Maxim, o DS1307[30]

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Na Figura 2.11 pode-se constatar uma boa prtica da integrao deste tipo de cir-cuito que ter uma alimentao redundante em relao alimentao principal dosistema, para que, caso esta falhe, a operao se mantenha. Dada a sua grandeutilizao, so dispositivos que se conseguem obter por valores to baixos como 2 AC.

2.4 Solues: uma viso do mercadoComo esta tese est a ser desenvolvida num mbito empresarial tambm essencialfazer uma anlise profunda do mercado e compreender qual o melhor posiciona-mento de mercado para a Whitesmith, compreendendo quais os seus pontos fortes efracos. Nas seces que se seguem, ser feita uma breve descrio de empresas comservios e produtos concorrentes do Qold, bem como uma anlise mais minuciosa ssuas solues, do ponto de vista tcnico e do ponto de vista de posicionamento demercado. Caso estas empresas ofeream alguma soluo extra relevante para esteprojeto, ela tambm abordada.

2.4.1 MonnitA Monnit uma empresa americana dedicada a solues de monitorizao sem fios,isto , vrios produtos capazes de medir grandezas fsicas e de reportar os valorespara uma plataforma online. Sob o mote The Leader in Low Cost Wireless Sensorsa Monnit opera no estado do Utah e presta servios tanto a clientes particularescomo a empresas industriais. Vamos agora proceder a uma anlise dos dispositivosque medem a temperatura e que podem ser possveis concorrentes ao Qold.

MNS-9-W1-TS-ST

O primeiro dispositivo a ser analisado o MNS-9-W1-TS-ST [31]. Este possui umsensor resistivo de temperatura NTC para medir a temperatura com uma precisode 1C. Este sensor pode ser aberto ou pode ser adicionada uma sonda de 90cm. enviada energia para o termistor, espera-se que este estabilize, em seguidadigitaliza-se novamente a temperatura e o dado respetivo enviado para a gateway.

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Figura 2.12: MNS-9-W1-TS-ST

O sensor alimentado por uma pilha substituvel do tipo pilha de relgio de 3V. Afrequncia a que o sensor envia dados pode ser configurada pelo utilizador e, paraque a pilha dure entre 1 a 2 anos, aconselhvel uma frequncia de 1 valor por hora.A frequncia de comunicao, que escolhida aquando da compra do equipamento,pode ser de 900, 920, 868 e 433 MHz. Apesar de oferecerem esta gama de ban-das de frequncia, na Europa estamos interditos a usar as frequncias de 900Mhz e920Mhz. Para melhorar o alcance usada uma antena de 4 (aproximadamente 10cm) para atingir um alcance mximo de 90 metros. Por fim, o sensor opera entre-7C e 60C. Na compra deste sensor tambm oferecido acesso ao software aplica-tivo de tratamento de dados iMonnit que permite visualizar a informao enviadabem como definir alarmes via Short Message Service (SMS) e email. Monitorizaode temperatura em aplicaes ambientais, uso em equipamentos (Smart Machines)e estruturas inteligentes (Smart Structures), operao e teste em aquecimento, ven-tilao e ar condicionado (Heating, Ventilating, and air Conditioning (HVAC)) emonitorizao de centro de dados (DATA Center) so exemplos de aplicaes destesensor sugeridas pela empresa. O custo deste sensor de US$49.

MNS-9-W2-TS-ST

Semelhante ao dispositivo anterior, o MNS-9-W2-TS-ST [32] oferece as mesmassolues mas com uma diferena: alimentado por duas pilhas de 1.5 V do tipoAA. Na prtica, esta diferena de alimentao traduz-se num aumento do perodode durao das pilhas, para 2 a 4 anos, e numa maior flexibilidade da temperaturade operao.: com pilhas alcalinas, a temperatura de operao de -18C a 55C,e, caso se opte por pilhas de ltio, esta passa de -40C a 85C.

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Figura 2.13: MNS-9-W2-TS-ST

Em relao unidade anteriormente descrita, este acarreta um aumento de tamanhoe uma subida de preo para US$74.

MNS-9-IN-TS-ST

Como referido, a Monnit oferece produtos para aplicaes industriais, como tal,tambm tem o seu sensor sem fios desenhado para a indstria, o MNS-9-IN-TS-ST[33].As grandes diferenas deste sensor, comparado com o primeiro sensor desta empresaque foi referido, esto na antena e no tipo de alimentao que se traduzem nummaior alcance, numa maior temperatura de operao e num tempo de vida maior.

Figura 2.14: MNS-9-IN-TS-ST

Usa-se uma pilha de 3.6V que pode ser substituda. H tambm a opo de usar umaverso alimentada por energia solar que usa uma pilha recarregvel de ltio-fosfatode ferro alimentada por um painel solar. Usa-se uma antena de ligao SMA, comum ganho 3 dBi para melhorar o alcance. Em suma, estas modificaes traduzem-se

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numa longevidade de 4 a 5 anos, numa temperatura de operao de -40C a +85Ce num alcance tpico de 100 metros, por US$149. De salientar que este o modeloque a empresa aconselha para frigorficos e congeladores.

MNS-2-WF-TS-ST

Quando se quer evitar o uso de uma gateway necessrio a funcionalidade de co-municao por Wi-Fi estar includa no sensor, o que corresponde ao modelo MNS-2-WF-TS-ST [34]. No sendo necessrio agora a comunicao para a gateway estesensor comunica por Wi-Fi na banda de frequncia de 2,4 GHz, sendo alimentadopor 2 pilhas AA de 1,5V, para um alcance mximo de, aproximadamente, 75 metrosem campo aberto. O dispositivo tem um custo de US$149.

Figura 2.15: MNS-2-WF-TS-ST

Este sensor permite ainda guardar os dados caso a comunicao por Wi-Fi tenhasido interrompida.

Outros sensores

Para alm destes sensores de temperatura apresentados, a Monnit tambm desen-volve outros tipos de sensores sem fios, tais como:

Sensores de humidade relativa Detetores de presena de gua Sensores de porta aberta e porta fechada Detetores de movimento por infravermelhos Sensores de gs de Monxido de Carbono (CO) Detetores de tenso Sensores resistivos Transformadores de corrente AC em DC na ordem dos mA

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Contadores de impulsos Sensores de luminosidade Sensores de deteo de luz Medidores de presso Sensores de presso de boto Sensores do nvel de um lquido

Gateways sem fios

Nenhum destes sensores til sem uma gateway pelo que a Monnit oferece diferentestipos de gateways para responder a diferentes tipos de necessidades.Para as situaes em que o local no dispe de uma rede local, a Monnit oferecegateways para acesso Internet com base em protocolos de comunicao 2G e 3Gcom preos entre os US$189 e os US$379.Caso haja possibilidade de conexo Internet local, h duas hipteses: ou conectara gateway ao router por um cabo Ethernet[35] ou conectar por Universal Serial Bus(USB) a um computador. A primeira soluo custa US$229 e a segunda US$49,sendo que a segunda obriga sempre a ter um computador ligado para funcionar.

Figura 2.16: MNG-9-EG-EGW, gateway sem fios com ligao por ethernet

2.4.2 KelsiusSob o mote Real Time Temperature Monitoring for the Food Services and HealthcareIndustries, a Kelsius [36] uma empresa que nasceu na Repblica da Irlanda e jestendeu a sua rea de operao at ao Reino Unido, sendo uma fornecedora detecnologias de automao para segurana de produto em servios alimentares e desade, atravs de sensores sem fios, com armazenamento e anlise de dados remoto.Presta servios a restaurantes, hotis, empresas de catering, hospitais, bancos desangue, laboratrios e clnicas em pases europeus, do Mdio Oriente na Austrliae nos Estados Unidos da Amrica. A Kelsius oferece 2 servios: o FoodCheck eo ColdCheck. No to transparente nos dispositivos que usa como a Monnit,

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pois oferece o servio na totalidade, sendo substancialmente especializada nos seusmercados.

FoodCheck

O FoodCheck [37] um servio web baseado em tecnologias sem fios com o objectivode responder s normas HACCP ou Anlise de Perigos e Controlo de Pontos Crticos)e permite:

Monitorizao contnua de temperatura Alertas por SMS, avisos e notificaes tanto num tablet como num smartphone Colheita de dados eletrnicos e respetivo reporte Gesto de tarefas de staff monitorizando desperdcio de produtos, gesto de

rotas e agendamento de horrios de limpeza.

Figura 2.17: Diagrama de funcionamento do FoodCheck

O objetivo deste servio otimizar processos relativos qualidade alimentar, desdea produo, passando pelo transporte, at preparao dos alimentos.

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ColdCheck

Um servio separado o ColdCheck que focado na monitorizao de temperaturaem locais de armazenamento de alimentos monitorizando tambm cadeias de frio.

Figura 2.18: Diagrama de funcionamento do ColdCheck

2.4.3 FreshTempA FreshTemp [38] promete garantir um servio completo, no que toca seguranaalimentar e gesto operacional, abrangendo desde cozinhas comerciais a restauran-tes de servio rpido e independentes. Situada em Pittsburgh,Pensilvnia, EstadosUnidos da Amrica, esta empresa conecta a cozinha cloud simplificando a recolhade temperaturas sem fios para conformidade HACCP, gesto de tarefas e de equipa distncia garantindo segurana alimentar.Para conseguirem assegurar estes compromissos, a FresTemp disponibiliza 3 servi-os distintos: FreshSense, FreshProbe e Smart Data logger. A aplicao Web quetambm funciona em mobile tem o nome de FreshCloud e permite a visualizaodos dados, bem como a configurao de alarmes.Uma particularidade desta empresa que oferece o servio de monitorizao de mer-cadoria, permitindo fazer o rastreio da temperatura durante o transporte e entregada mesma.

FreshSense

O primeiro produto que vai ser analisado o FreshSense[39]], que providencia amonitorizao em tempo real da temperatura e a transmisso de alarmes com oobjetivo de diminuir a carga de trabalho e o risco correlacionados com a temperatura.Na prtica, so sensores que comunicam por radiofrequncia, na banda de 900 MHz,com uma gateway que envia os dados para um servidor por Wi-Fi na gama dos 2,4GHz.

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Figura 2.19: Dispositivos FreshSense

O intervalo de temperatura operacional situa-se entre os -25C e os 150C, e o sensortem uma preciso de 0,5C. Este um dispositivo com o sensor de temperaturano interior, com possibilidade de adicionar uma sonda externa, se necessrio. Parauma taxa de gerao de dados de 1 dado/minuto, expectvel uma durao da pilhade alimentao de 3 anos. Segundo a empresa, o alcance superior a 1 milha, comtransmisso em linha de vista.

FreshProbe

Este servio diferente dos que se tm vindo a descrever. Este tem o objetivo deindexar cada temperatura medida a bens alimentares especficos, ao invs de cmarasde frio. Para alm desta medida ser feita manualmente, inserindo uma sonda noalimento, o tipo de tecnologia de comunicao difere tambm: o FreshProbe [40]comunica com um iPhone por Bluetooth dispensando a utilizao de gateways ououtros dispositivos.

Figura 2.20: Representao do funcionamento do FreshProbe

Este sensor pode ser usado para medir temperaturas entre os -60C e os 150C,pois a nica parte em contacto com o alimento a sonda. Usando Bluetooth, oalcance fica limitado a 90 metros (linha de vista); em contrapartida, e por no estarsujeito a baixas temperaturas, a longevidade da pilha de aproximadamente umano, transmitindo taxa de 1 dado/segundo

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Smart Data Logger

A ltima soluo apresentada por esta empresa o Smart Data Logger. Nesteservio, o prprio sensor guarda dados de temperatura e de tempo. Sem necessi-dade de uma gateway, a comunicao destes dados feita por Bluetooth entre umsmartphone e o sensor. Por esta mesma caracterstica os dados s podem ser recolhi-dos presencialmente. Pense-se neste servio como uma mistura entre o FreshSensee o FreshProbe.Permitindo programao por medida pelo utilizador no que toca ao intervalo detempo de recolha de dados, a longevidade deste sensor est entre dois e os cincoanos, e o alcance-rdio na casa dos 30 metros (linha de vista). Operando entre os-40C e os 65C, este sensor tem a capacidade de armazenar 2000 registos.

2.4.4 GrupoPIE - WinrestCom mais de 25 anos, o GrupoPIE [41] est fortemente enraizado no mercado deretalho. Dedicado a solues de software de gesto e controlo com o seu WinREST,um dos primeiros softwares para ponto de venda de restaurao da Europa com ecrtctil, est presente em 95% de todas as redes de fast food em Portugal. Em directacompetio com o Qold, o GrupoPIE dispe de dois servios, o WinREST SensorLog e o WinREST HACCP.

WinREST Sensor Log & HACCP

Um software que acompanhado de sensores sem fios capazes de medir temperatura,humidade e luz instalados num estabelecimento permite ao utilizador ser alertadopor SMS e email quando estes valores esto fora da regio de desejada, visualizarestes dados e exportar os registos para HACCP[42]. Este servio tem o nome deWinREST Sensor Log[43]. Esta aplicao somente desenvolvida para Windows es pode ser consultada localmente exceo dos relatrios que podem ser acedidosvia Web. Pouca informao est disponvel sobre o sensor em si mas, alm datemperatura, humidade e luz, a fora de sinal (Received Signal Strength Indication(RSSI)) tambm medida e pode ser consultada. A frequncia de amostragemdestes sensores configurada pelo utilizador.

2.4.5 TestoA Testo [44] uma empresa alem especializada em tecnologia de medio fixa eporttil com clientes espalhados por todo o mundo. Dentro do sector da qualidadealimentar, oferece 2 tipos de produtos relevantes: termmetros e data loggers[45],tanto para equipamentos fixos como para aparelhos de transporte. Dentro de cadauma destas categorias, a Testo tem mais do que uma soluo, que varia das restantesnas suas caractersticas e no seu preo. Vamos agora analisar estas diferenas emmaior pormenor.

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Termmetros

Para medir a temperatura com preciso, a Testo sugere os seus termmetros[46],sejam estes por contacto ou por infravermelhos. De notar que estes dispositivosso usados, maioritariamente, para medir a temperatura de bens alimentares, e nopropriamente para fazer monitorizao de algum equipamento especfico.

Figura 2.21: Exemplo da utilizao de um termmetro por contacto da Testo

Data loggers

Como j foi referido, a Testo oferece vrios tipos de data loggers, que se podemdividir em duas categorias essenciais: fixos ou para transporte. Na categoria dosfixos [47], so medidas trs grandezas: temperatura, humidade e presso. A principalfuno destes dispositivos a elaborao de relatrios para controlo de qualidade.

Figura 2.22: Testo 174 T - Mini data logger de temperatura

O Testo-174T[48] o sensor mais bsico que opera de -30C a +70C, com umapreciso de 0,5C e uma resoluo 0,1C. O perodo de aquisio de dados podevariar entre 1 minuto e 24 horas, sendo alimentado por duas baterias de ltio CR2032com uma durabilidade estimada de 500 dias a 25C, com um ciclo de medio de 15minutos. aconselhado para medir temperaturas de armazenamento.Na gama oposta temos o Testo-176H1[49], o dispositivo mais completo.

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Figura 2.23: Testo 176H1 - Sensor de temperatura e humidade relativa

Operando entre os -20C e os 70C com uma preciso de 0,2C e uma resoluo0,1C, este sensor no s consegue dados mais preciso como os pode gerar comperodos variando de 1 segundo a 24 horas. Uma pilha de ltio TL-5903 poderter uma durabilidade estimada de 8 anos, com uma taxa mdia de 1 dado a cada15 minutos. Este sensor possu 4 canais e a possibilidade de usar sondas no ar, deimerso/penetrao ou de superfcie para medir temperatura e/ou humidade. Estesensor ainda a aconselhado para uso em construo.Os dados so guardados e depois transmitidos para um PC por cabo USB usandoum software prprio, o Saveris, possvel aceder aos dados. Estes produtos va-riam desde os 49 aos 411 AC, conforme as funes suportadas, tais como: alarmesautomticos, documentao centralizada num nico sistema de distintos pontos demedio e produo de relatrios automticos, e ainda outras caractersticas comomaior ou menor capacidade de armazenamento de dados, faixa de medio, preciso,resoluo, tipo de pilhas usadas, vida til, visor e tipo de sonda.Na segunda categoria, temos os dispositivos que monitorizam a temperatura, humi-dade e vibraes durante o transporte[50]. A Testo dispe de quatro sensores paramedio de temperaturas, com tempo de funcionamento diferentes e um especficopara temperaturas inferiores a -80C, um sensor para humidade e temperatura e porfim um sensor mais completo para temperatura, humidade e vibraes.

Figura 2.24: Testo 184T2 - Data logger para superviso da temperatura duranteo transporte

Este sensor[51] mede a temperatura atual e hora a que esta foi medida. Permite avisualizao destes valores bem como da temperatura cintica mdia (Mean KineticTemperature (MKT)), os valores mximo e mnimo de temperatura registada numdeterminado intervalo e o estado da bateria do sensor. Estes valores so guardados,permitindo a sua exportao em formato .pdf, assim que o sensor conectado via

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USB a um computador H ainda a possibilidade de comunicar por Near Field Com-munication (NFC), usando a aplicao da Testo disponvel na Google Play Store. ,tambm, possvel configurar um alarme caso os mximos ou mnimos estabelecidossejam ultrapassados, que sinalizado por LED.

A MKT obtida atravs da seguinte equao:

TMKT =ER

ln e E

RT1 +e E

RT2 +...+eERTn

n

(2.7)

TMKT = Temperatura cintica mdia - K;

E = Energia de ativao, 83,144 - KJ/mol

R = Constante universal dos gases perfeitos, 8,314462 - J/(K.mol)

T1 = Temperatura mdia medida em graus Kelvin durante o primeiro perodo detempo.

T2 = Temperatura mdia medida em graus Kelvin durante o segundo perodo detempo.

Tn = Temperatura mdia medida em graus Kelvin durante o n-simo perodo detempo.

Este sensor tem somente dois botes: um para iniciar a recolha de dados e outropara terminar. Opera entre -35C e +70C, com uma preciso de 0,5C e umaresoluo de 0,1C. O perodo de aquisio de dados varivel entre 1 minuto e 24horas, para uma capacidade de armazenamento de at 40 mil leituras. O seu tempode operao mximo de 150 dias, usando pilhas de ltio no substituveis, e custa49 AC.

Os outros sensores variam em pouco nas suas especificidades tcnicas, sendo queo sensor mais completo tambm capaz de medir a acelerao segundo 3 eixos ededuzir, assim, as vibraes a que o sensor esteve sujeito. Este sensor o mais caroe pode ser obtido por um valor de 169 AC.

2.4.6 Temperature@lert

A Temperature@lert[52] tem um modelo diferente dos anteriormente descritos, nosentido em que, por norma, os sensores comunicam com uma gateway via wirelesse a Temperature@lert desenvolveu uma soluo em que os sensores esto ligados gateway, e esta depois comunica os dados por Wi-Fi.

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Figura 2.25: Temperature@lert - edio Wi-Fi

Este sensor alimentado por um adaptador AC. Com uma gama de temperatura defuncionamento entre os 0C e os 40C, a este dispositivo ainda se podem adicionarsensores de temperatura que operam entre os -20C e os 60C. Os dados recolhidosso, depois, disponibilizados numa plataforma Web onde se podem gerar relatrios econfigurar alarmes SMS, email e telefnicos, consoante o plano de servio contratado.Semelhante a este servio, esta empresa proporciona um outro, o cellular edition queem vez de usar tecnologia Wi-Fi, usa tecnologias de redes mveis para comunicar.Tem um valor de US$399,99Medir a temperatura ambiente, em salas de servidores, laboratrios, frigorficos quesirvam comida entre outros, so aplicaes deste dispositivo de US$299,99. Claroque a este preo ainda se adiciona o preo de cada sensor, consoante o que se quermonitorizar. Estes preos vo desde US$34,99 at US$174,99.

2.4.7 DomoporA domopor[53] uma empresa portuguesa, com vocao para o desenvolvimentode solues inteligentes para a rea habitacional. Dentro dos vrios produtos eservios no quadro desta anlise, destaca-se o TCS.wireless[54]], que foi concebidoespecificamente para implementar o Sistema de Segurana e Higiene Alimentar,regulamentado pelo HACCP, fazendo registos dirios dos valores de temperatura eemitindo alarmes sempre que os pontos crticos de controlo so ultrapassados.

Figura 2.26: Aplicao TCS.wireless

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No fornecendo informaes especficas sobre o sensor de temperatura usado, esteservio permite de forma automtica registar dados emitidos pelas sondas sem fio,gerar alarmes e elaborar relatrios.

2.4.8 EcloVocacionada para resolver problemas nas reas da indstria alimentar, hoteleira, doretalho, laboratrios e farmcias a Eclo[55] uma empresa portuguesa que se dis-tingue das empresas acima mencionadas por disponibilizar um servio que, tambmvisando realizar a monitorizao de temperatura, recorre a uma tecnologia diferente:utiliza iButtons como sensores de temperatura e como data loggers. portanto sem-pre necessrio recolher estes dispositivos quando se quiser transferir a informaoarmazenada para um computador.

iButton

O iButton um computer chip envolvido numa caixa de metal com um dimetro de16 mm e espessura de 6 mm. Devido resistncia desta caixa, este dispositivo podeser transportado e usado em vrios tipos de ambiente, e a sua proteo funcionatambm como circuito de comunicao, com dois ponto de contacto na caixa: oponto de contacto responsvel pela transmisso de informao denominado de lid eum ponto de contacto com a terra (referncia de tenso) do circuito. Esta interfacede comunicao tem o nome de 1-wire pois s necessita de um fio para comunicar.Existem apenas duas velocidades de comunicao: 16 kbps e 142 kbps.

Figura 2.27: Imagem genrica de um iButton

Para alm deste circuito de comunicao possvel adicionar e desenvolver outrasfuncionalidades ao iButton como por exemplo: sensores de temperatura, armazena-mento de dados, RTDs entre outras. Os preos destes dispositivos podem variar deUS$2 a US$95[56].

2.4.9 Outras empresasOutras empresas tambm analisadas foram a Oregon Scientific[57], que tem serviosmais dedicados Domtica, com estaes meteorolgicas e sensores de temperaturae humidade[58]; a Infocontrol[59], com sensores especficos para monitorizao deHVAC, dedicada ao ramos da automao industrial e para edifcios; a Anaren and

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Cellular Machines[60], com um modelo de negcio semelhante aos anteriormentedescritos, disponibilizando um kit inicial com uma hub e 3 sensores; a CapTemp[61],que no utiliza tecnologia sem fios e faz a monitorizao usando um sensor de tem-peratura (termistor) e comunica ligando-se ao modem por um cabo Ethernet per-mitindo apenas a gerao de alarmes; semelhante ao CapTemp, existe a AKCP[62],mas oferece um nmero maior de sensores, bem como a visualizao dos dados; aJ.ROMA[63], empresa que se dedica mais revenda de data loggers[64] da LascarElectronics[65], que armazenam os valores da temperatura e depois permitem, atra-vs de software, aceder aos dados. Em alguns modelos, possvel visualizar os dadosno prprio dispositivo e definir alarmes sonoros. A comunicao com o PC feitapor USB na maioria dos modelos e por Wi-Fi num modelo, o EL-WIFI[66].

2.4.10 O mercado do Qold: Coimbra e instalaes pilotoMais do que conhecer as solues de mercado e os potenciais concorrentes do Qold, essencial tambm conhecer o mercado do Qold. Para perceber como o mercadoreage ao Qold, quais as melhorias que este sugere ao produto e qual o impactodo Qold, procurei encontrar possveis clientes, falar com eles, apresentar o Qold,sugerir uma proposta de instalao e no final retirar opinies e melhorias de quemvai usufruir do Qold para as integrar na minha iterao. Destes contactos, e comaprovao para fazer instalao piloto, destacam-se pelo papel fundamental quedesempenharam no desenvolvimento desta dissertao: Praxis - Cervejas de CoimbraLda; Servios de Ao Social da Universidade de Coimbra (SASUC); HamburgariaManeirista; Cordel; Talho Marques & Marques Lda; Novalis Chocogelataria e LaRomana Coimbra.Foi assim possvel conhecer os vrios tipos de cmaras frigorficas usadas por estasentidades, qual a importncia relativa das mesmas na monitorizao da temperaturae doutras grandezas fsicas, qual o impacto da forma e colocao do dispositivo, quala caracterstica mais importante do Qold, o tipo de ambiente a que os dispositivosesto sujeitos e at mesmo quanto que este tipo de mercado est disposto a pagarpor este produto. Atravs das conversas com os clientes referidos foi possvel retirarquadro de requisitos do Qold. Foi possvel compreender que o sensor tem de ser omnimo intrusivo, a funo de alarme maioral em relao gerao de relatriose que era ainda basilar o dispositivo ser capaz de diagnosticar a sade da mquina.Desta forma, o cliente no quer perder a matria-prima, no quer perder tempo comrecolha manual das temperaturas e quer saber quando que tem de substituir acmara de frio para poder fazer o planeamento de gesto de ativos. Este produtotem ainda de significar uma reduo de custos em relao no preveno e aotempo disponibilizado para a recolha de temperaturas.Em suma, este contacto direto com o mercado permitiu-me tomar vrias decises quesero abordadas no decorrer deste relatrio, permitiu-me ter uma viso prtica dasnecessidades do mercado e deu-me ainda a possibilidade de estar em contacto compossveis clientes do Qold. Graas ao curso de Engenharia Fsica foi-me possvelconversar com estes respondendo as questes mais tcnicas sem perder o tato deestar a falar com pessoas com um conhecimento relativamente menor nesta reaespecfica.

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2.5 Enquadramento finalToda a informao recolhida tem por objetivo a capacidade de: (i) gerar relatrioscom valores das medies peridicas da temperatura das cmaras de frio, de acordocom as normas HACCP, (ii) permitir a visualizao desta informao em tempo-real,remotamente, e (iii) gerar alarmes. No basta, portanto, recolher dados e process-los localmente, sendo necessrio fazer chegar esta informao ao utilizador final, aocliente. Por estas razes, essencial compreender conceitos como Internet e cloud. AInternet pode ser vista como uma rede massificada, descentralizada e de propriedadepblica que interliga vrios dispositivos atravs de protocolos Transmission ControlProtocol (TCP)\Internet Protocol (IP).A computao cloud um tipo de computao baseada na Internet que proporcionaprocessamento partilhado e dados entre computadores e outros dispositivos. Permiteacesso a uma vasta gama de recursos e servios de comunicao, armazenamento eprocessamento de aplicaes variadas, com o mnimo esforo de manuteno. Per-mite, por exemplo, solues a empresas como guardar e processar a informaodestas em centros de dados de terceiros, sem que a empresa tenha de possuir estainfraestrutura[67].O Qold um bom exemplo destes dois conceitos: aps os dados chegarem ga-teway, eles so enviados para a Internet onde so armazenados na cloud para depoispoderem ser consultados pelos utilizadores via website ou via uma aplicao mvel.De salientar que a construo e integrao desta ltima parte do sistema no fazparte desta dissertao.

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3Arquitetura do sistema

O sistema desenvolvido foi projetado e construdo com o objetivo de criar umarede de sensores que, facilmente, permita a um utilizador monitorizar remotamentegrandezas fsicas. Procurou-se criar um sistema de baixo custo, de fcil integrao,isto , em que adicionar novos sensores seja to simples como coloc-los ao alcance deuma gateway e com um nmero baixo de ns para tornar a sua instalao igualmentesimples.Construir uma rede de sensores sem fios requer a integrao de vrios componentestanto de hardware como de software. A forma como todos estes componentes intera-gem tem de refletir o objetivo do produto e proporcionar uma experincia agradvelao utilizador.

3.1 Estruturao

Seguindo a arquitetura tpica de uma plataforma de IoT este sistema pode ser dividoem trs camadas essenciais [68]:Camada de perceo: nesta camada que o sistema recolhe, armazena e pro-cessa os dados do mundo fsico. Esta camada ainda dividida em duas partes: odispositivo sensor e a rede sem fios constituda por vrios sensores. A primeira parteinclui o microcontrolador, os sensores e o transcetor de Radiofrequncia (RF). Arede formada por um nmero de ns de sensorizao distribudos por uma vastarea constitui a ltima parte desta camada;Camada de transmisso: Nesta camada, o sistema tem como objetivo transferira informao obtida na camada anterior para uma rea maior ou, mesmo, a longasdistncias; ou seja, assim que a informao obtida, esta pode ser transferida parauma localizao remota. H, portanto, uma enorme dependncia em comunicaovia Mobile Broadband ou por Wi-Fi;Camada de aplicao: Esta camada final, a camada de destino, em que a infor-mao recolhida e transmitida ser usada ou para processamento ou como requisitode um servio, os dois principais objetivos desta camada.Esta dissertao incide essencialmente na camada de perceo. Pode-se compreendervisualmente a estruturao do sistema na imagem seguinte.

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3. Arquitetura do sistema

Figura 3.1: Diagrama de blocos da representao geral da arquitetura do sistema

3.1.1 Sensorizao de uma cmara frigorfica

neste n que a temperatura, a luminosidade e o tempo so medidos, com recursoa um termistor, uma clula fotoeltrica e um RTC respetivamente. feita a termi-nao e o condicionamento de sinal das grandezas analgicas (interface analgica)para que a sua digitalizao possa ter lugar sem erros. Depois, j no microcontrola-dor, feita a recolha de dados, que so processados e guardados e, posteriormente,

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enviados para a gateway. Foi usado um Arduino Pro Mini para prototipar e, poste-riormente, foi usado o seu "crebro", o ATmega328 [69], como microcontrolador parao desenho do PCB.Para atingir estas metas pensou-se no hardware como um conjunto de blocos inde-pendentes mas interligados, cada um desempenhando funes especficas. Desenhou-se o esquema eltrico no Altium Designer bem como o PCB para para elaboraode um prottipo industrial.

Hierarquia de Hardware

Figura 3.2: Figura ilustrativa da hierarquia de hardware

Como se pode observar na Figura 3.2 o hardware est dividido nos seguintes mdulos: Mdulo de processamento que inclu o microcontrolador (ATmega328 ), na

figura como U_ATmega328 ; O mdulo de monitorizao da temperatura e da luminosidade, na figura como

U_Sensors; Mdulo que mantm a noo do tempo atual, na figura como U_Time; Mdulo de comunicao na banda ISM dos 433MHz, na figura como U_433; Mdulo de ligao ao computador para comunicao entre o dispositivo e o

PC, para fazer burn bootloader e upload do firmware, na figura como U_PC

Arduino Pro Mini e ATmega328

O Arduino uma plataforma de prototipagem open-source com o objetivo de faci-litar a realizao de provas de conceito, quer de hardware quer de software[70].Por ser uma plataforma muito documentada, usada mundialmente, barata e capaz

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de responder s necessidades do Qold, foi usado um Arduino Pro Mini para proto-tipagem. Sendo pequeno, permite a sua utilizao sem que o volume do dispositivofosse uma preocupao maior. O microcontrolador usado o ATmega328, sobre oqual foi desenvolvido o mecanismo de recolha de dados.

Figura 3.3: Esquema da configurao de pinos do ATmega328

Com base na informao da Figura 3.3 e usando uma alimentao de 3,3V no circuitoem geral bem como entrada do ATmega328, desenhou-se o esquema seguinte queserviu de base para o desenho em placa de circuito impresso.

Figura 3.4: Esquema do microcontrolador

importante compreender que ser usada uma pilha de cloreto de tionil-ltio (Li-SOCl2), de 3,6 V devido sua curva de descarga, e porque os componentes docircuito operam a 3,3 V. Para tal, necessrio corrigir-se a tenso, usando umregulador de tenso, Low-Dropout Regulator (LDO) XC6206[71] da Torex. Aindade salientar da Figura 3.4 a utilizao de dois condensadores de desacoplamento parasuavizar picos de alimentao, no perturbando o bom funcionamento do circuito.Respeitando as condies de prototipagem, usa-se um oscilador com um cristal de8 MHz para gerar o CLK do microcontrolador.

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Termistor e clula fotoeltrica

Figura 3.5: Esquema de montagem do termistor e da clula fotoeltrica

Usou-se como termistor o NTCLE100E3103JB0[72] e como clula fotoeltrica a NSL19M51[73].Tal como foi apresentado no Captulo 2, estes dois sensores comportam-se no circuitocomo resistncias variveis. Para que seja mensurvel no microcontrolador, i.e.,possa corresponder a excurses de tenso dentro da gama dinmica do ADC, svariaes de resistncia tm de corresponder variaes de tenso entre os 0 V e os3,3 V. Esta condio conseguida usando dois divisores de tenso, uma para cadasensor: no caso da clula fotoeltrica, usa-se uma resistncia em pull down de 10K. Em srie com o termistor usa-se tambm uma resistncia de 10 K mas destavez em pull up.

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RTC

Figura 3.6: Esquema de montagem do RTC

O DS1338 um RTC de baixo consumo, com funes de relgio/calendrio e aindauma memria do tipo Non-Volatile Random-Access Memory (nvRAM). A informa-o trocada com o microcontrolador segundo a interface I2C. O relgio/calendriofornece segundos, minutos, horas, dia, data, ms e ano, com correo automticade ano bissexto. Para alm destas caractersticas, o DS1338 consegue ainda detetarfalhas na alimentao do circuito onde estiver integrado e comutar a alimentaopara uma pilha de reserva, mantendo as operaes de registo de hora e data, seminterrupes[74].Tal como exigido no protocolo I2C, que ser explicado detalhadamente na Subsec-o 3.1.4, as linhas Serial Clock Line (SCL) e Serial Data Line (SDA) devem estarno estado HIGH quando em repouso, logo estas tm uma resistncia em pull up.Usa-se um cristal parte para servir de referncia temporal para o relgio do RTC,com uma frequncia tpica de 32,768 kHz. Para calcular os condensadores entre ocristal e o DS1338, foram tomadas em considerao as notas de projeto de circuitosde cristal da FOX Electronics[75] e da Adafruit[76].

CL =C14 C15C14 + C15 + Cstray (3.1)

Com C14 = C15 a equao 3.1 pode reduzir-se a:

C14, C15 = 2 (CL Cstray) (3.2)

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Consultando a datasheet do cristal usado[77]: CL = 12,5 pF e assume-se Cstray =1,5 pF. Caso o dispositivo principal falhe, seja necessrio fazer um reset ou a pilhaprincipal fique sem carga, usa-se uma pilha de reserva de ltio do tipo CR1225 de 3V, ,antendo o registo temporal preciso.

CC1101 - Mdulo de comunicao por radiofrequncia sub-GHz

Um dos maiores problemas do Qold no incio deste projeto era o alcance-rdio dosistema e as falhas de comunicao devido utilizao de mdulos de radiofrequnciade 2,4 GHz. No s esta frequncia muito povoada no dia-a-dia, visto ser aprincipal gama para o Wi-Fi, como tambm sofre bastante atenuao ao atravessaras cmaras frigorficas. O mdulo de transcetor CC1101 da Texas uma soluopara este problema inicial, permitindo operar nas gamas ISM e operar a frequnciasde 315/433/868/915 MHz. Usado em aplicaes de baixo consumo como em sistemasde alarme e de segurana sem fios, monitorizao e controlo industrial bem comooutras aplicaes de redes de sensores sem fios.Das suas vrias caractersticas destacam-se as seguintes:

desenvolvido para ser orientado ao pacote de informao, com deteo de pa-lavra de sincronismo, verificao de endereo, tamanho do pacote flexvel eCyclic Redundancy Check (CRC) automtico;

interface SPI; caracterizao da fora de sinal (RSSI); indicador de qualidade de prembulo (Preamble Quality Indicator (PQI)) para

melhor proteo contra deteo de falsas palavras de sincronismo em ambientescom rudo de RF;

sensibilidade elevada (-116 dBm a 0.6 kBaud em 433 MHz) a velocidade de transferncia de dados pode ser programada desde 0,6 kbps a

600 kbps; consumo de 200 nA em modo sleep 240 s de tempo de inicializao tamanho mximo de pacote de 64 bytes

Por todas estas razes, decidiu-se usar este mdulo. Como o Qold ser primeira-mente um produto a desenvolver para a Europa, escolhe-se uma gama de frequnciaautorizadas pela International Telecommunication Union (ITU)[78]. Sendo assim, ocircuito ser desenhado em conformidade com a datasheet[79] e de forma a otimizaro bom funcionamento a 433 MHz.

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Figura 3.7: Esquema de montagem do mdulo de comunicao por radiofrequnciana banda ISM dos 433 MHz

Deteo de corrente

A deteo de corrente no ser monitorizada pelo dispositivo que ir monitorizar asgrandezas supramencionadas. Ser sim aproveitado o facto da gateway ter de seralimentada localmente e no por uma pilha em conjunto com o facto deste sensorser colocada entrada da alimentao da cmara frigorfica para que no mesmolocal se coloque s um dispositivo. Sendo assim, a gateway ir tambm detetar ofuncionamento da cmara frigorfica.Para fazer a deteo de corrente usa-se o CST-1015. A anlise deste mdulo serabordada parte no Captulo 5.

Bootloader & FTDI

O bootloader no Arduino basicamente um ficheiro que corre quando a placa ligada.Tem duas funes: primeiro verifica se o computador est a tentar programar a placa,se sim, carrega-o para o ATmega328. Caso contrrio, "diz"ao microcontrolador paracorrer o cdigo que j est em memria[80]. Por esta razo necessrio carregaro bootloader primeiro e s depois o software concebido. Uma forma de o fazer atravs do estabelecimento de uma ligao SPI entre um Arduino j com bootloader

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de origem e o ATmega328. Em seguida, para carregar o cdigo desenvolvido utiliza-se um adaptador da FTDI, o FT232RL que permite haver converso de USB paraum circuito integrado com comunicao em srie.

Figura 3.8: Esquema das ligaes externas do dispositivo

Na Figura 3.8, P1 representa as ligaes entre o adaptador FT232RL e o ATmega328e P2 representa as ligaes necessrias para instalar o bootloader.

3.1.2 GatewayO dispositivo que serve de gateway um Raspberry Pi A+[81]. Este um compu-tador com um semelhante ao de um carto de crdito. Montado numa s placa edesenvolvido com o objetivo de promover a aprendizagem de capacidades de com-putao e programao. Por ser um computador de baixo consumo e com umadistribuio global, tornou-se um dispositivo muito comum em projetos de IoT, es-pecialmente na fase de prototipagem. O Raspberry Pi A+ um computador queutiliza o processador BCM2835 da Broadcom com uma frequncia de 700 MHz eutiliza s um core ARM1176JZF-S. Tem uma RAM de 512 MB do tipo SDRAMa operar a 400 MHz. Tem 40 pinos para utilizar com outros perifricos (todos di-gitais), 1 porta USB 2.0, uma ranhura para introduzir um carto MicroSD ondeest o sistema operativo de base Linux bem como todo o software desenvolvido parao Qold. Este alimentado por uma fonte AC/DC de 5 V capaz de debitar umacorrente de 2,5 A pela porta de micro USB. Tal como o Arduino, este dispositivoconsegue comunicar por SPI, I2C e Universal Asynchronous Receiver/Transmitter(UART). Usando um mdulo extra, o adaptador EW-7811Un da Edimax[82], pos-svel ligar o Raspberry Pi A+ a uma rede Wi-Fi. Um Raspberry Pi A+ custa 18,10AC na Farnell.

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Este dispositivo j estava escolhido como gateway e no fez parte deste projeto pro-por uma soluo diferente mas, to somente, incluir este ponto no desenvolvimentodo mesmo, tornando-se assim necessrio compreender o funcionamento deste. Fezsim parte desta dissertao, desenvolver o software e hardware necessrio para acomunicao entre o n de sensorizao e a gateway.

Figura 3.9: Esquema da hierarquia da gateway

Para que a gateway comunique com o n de sensorizao, necessrio esta contertambm um mdulo de comunicao em radiofrequncia de 433MHz. Utiliza-se omesmo mdulo por razes de preo e simplicidade de desenvolvimento. Como foiacima mencionado, tambm na gateway que ser feita a deteo do estado defuncionamento da cmara frigorfica, como ilustrado na Figura 3.9.Na figura 3.10 esto indicados os pinos que permitem a ligao da gateway aosperifricos.

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Tese Diogo Bastos.pdf