TRABALHO INTERDISCILINAR DIRIGIDO IV

INSTITUTO POLITÉCNICO – Centro Universitário UNA

SISTEMA DE ANÁLISE VOLUMÉTRICA DE FLUIDOS EM RESERVATÓRIOS

COM TRANSMISSÃO DE DADOS VIA RADIOFREQUÊNCIA 433 MHz

CURSO: Engenharia de Computação Professor Orientador: Elson de Abreu Rocha Júnior

Anderson Soares, Branco Moreira, Eriellen Souza, Felipe Menezes, Guilherme Peixoto, Matheus

Ícaro, Saulo Araújo.

Professores Co-orientadores: Breno Aredes, Bruna Amin, Orlando Gama, Pedro Felix

Resumo: O objetivo deste trabalho é propor um sistema capaz de verificar a quantidade real de água

e ar liberada em um reservatório. Foram feitas várias pesquisas e estudo dos componentes eletrônicos,

e diante do problema abordado por consumidores, que podem estar sendo lesados devido a leitura

errônea dos hidrômetros; pode-se desenvolver um sistema eletrônico controlado por Arduíno, e um

protótipo de simulação de um ambiente real. Palavras - chaves: Sensores; Transmissão de dados; Radiofrequência;

1. INTRODUÇÃO

Em virtude da crise hídrica que assola o país desde o início de 2014, as

concessionárias de abastecimento e saneamento de água tem solicitado à população

o consumo racional para minimizar os impactos (SECOM, 2015). Dada essa situação,

uma das medidas que se faz necessário é o armazenamento eficaz da água. Segundo

normas técnicas ABNT NBR 14799:2011, as caixas d'água em residências devem ser

capazes de armazenar água para 24 horas de consumo. De acordo com Azzoni

(ÉPOCA, 2015), esse mínimo nem sempre é efetivo.

Reportagens em diversas mídias tem alertado que além da situação crítica dos

reservatórios em quase todo país, as pessoas convivem com a cobrança do ar que

sai das tubulações. (GLOBO, 2015; RECORD, 2015; TERRA, 2015; SINDICONET,

2015), o que para especialistas é indevido.

Neste sentido, a utilização de tecnologias para o monitoramento de vazão de

água e constatação da presença de ar nas tubulações para aferir o consumo real.

Deste modo, tem-se a seguinte questão norteadora: De que maneira pode-se

evidenciar a presença de ar em tubulações hidráulicas que ocasionam a leitura

errônea do hidrômetro?

Portanto, o objetivo geral deste estudo é propor um sistema de aferição da

quantidade real de água e ar recebida na caixa d’água. Tem-se como objetivo

especifico, o desenvolvimento de um protótipo que demonstre o funcionamento do

sistema.

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2. REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 SENSORES

Sensores são dispositivos sensíveis que proporcionam um meio de gerar sinais

analógicos e digitais, os quais podem ser utilizados como entradas, e assim medidos

e enviados para circuitos eletrônicos (TOOLEY, 2007, p.288). Afirma Mike Tooley que,

"Ser capaz de gerar um sinal elétrico que representa de forma precisa essas

quantidades nos permite não apenas medir e guardar esses valores, mas também

controla-los" (TOOLEY, 2007, p.288).

Tais sinais detectados pelos sensores, geram dados conforme informado e

assim são tratados por um micro-controlador programado para gerar funções logicas

com os dados recebidos.

Sensor Ultra-sônico HC-SR04 é baseado na emissão e recepção de ondas

acústicas ultrasônicas entre um objeto e um receptor, em seu funcionamento um

oscilador emite ondas ultrasônicas (em torno de 42 kHz) que resultam em um

comprimento de onda. As ondas refletidas pelo objeto são captadas pelo sensor,

fornecendo um sinal que informa o nível final da água no reservatório (THOMAZINI,

2005, p. 222).

2.2 ARDUÍNO

Arduíno é um micro-controlador de código aberto baseado na linguagem C que

foi desenvolvido na cidade italiana de Ivrea por Massimo Banzi, David Cuartielles,

Tom Igoe, Gianluca Martino e David Mellis. (MCROVERTS, 2011, pag. 22.). É uma

plataforma de computação física ou embarcada que interage com seu ambiente por

meio de hardware e software ao receber dados e realizar funções programadas.

2.3 TRANSMISSÃO DE DADOS E RADIO FREQUÊNCIA

Transmissão de dados são trocas de informações entre dois ou mais pontos

através de qualquer estrutura física. Usa-se o termo linha para designar o meio de

transmissão usado entre esses pontos, essa linha pode ser de um par de fios, um

cabo coaxial, fibras óticas, comunicação por rádio frequência ou até mesmo por

satélites.

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Os sistemas de transmissão baseados em rádio frequência (RF) utilizam micro-

ondas para transmitir o sinal através do ar. Sendo assim, pode-se utilizar faixas de

frequências conhecidas como ISM (Industrial Scientific Medical), que são abertas pois

não há a necessidade de autorização para transmissão de sinais nessas frequências.

A distância com que as ondas RF se comunicam, estão relacionadas basicamente

com a potência de transmissão, sensibilidade do receptor e o caminho por onde a

onda se propagará (MORAIS, 2010).

A vantagem do uso da radio frequência é a possibilidade de transpor

obstáculos. O alcance de um sistema RF em ambiente indoor vai de 35 a 100

metros; o tipo de material de construção, as paredes, o metal, e principalmente

as pessoas podem afetar diretamente a propagação do sinal e,

consequentemente, o alcance. (MORAIS, 2010, p.22 e 23).

Segundo Fernandes Morais (2010), o ar pode apresentar algumas vantagens

se comparado à outros meios de transmissão. Um dos principais atributos é que não

pode ser facilmente interrompida e estão sujeitas à absorção, reflexão e atenuação,

além de interferências e ruídos. Contudo, os fatores substanciais que afetam a

propagação dos sinais são: distinções de frequências em que umas frequências são

melhores que outras (quanto maior a frequência, maior o consumo de energia e menor

será o alcance); sinais refletidos e que podem tomar vários caminhos entre o

transmissor e receptor (sinal fraco); fontes de interferência em que vários dispositivos

trabalham na mesma faixa de frequência.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Os materiais utilizados neste trabalho foram: Arduíno UNO R3; Arduino Mega

2560; Sensor de Fluxo modelo YF-S201 (sensor do tipo efeito Hall); Módulo

Transmissor e Receptor 433Mhz AM; Sensor Ultra-sônico HC-SR04; Antena

telescópica de metal cromada; Motor bomba submersa S520; Display LCD Nokia

5110 monocromático de 1,6”; aquário comum com capacidade máxima de 8L; Vasilha

graduada de capacidade de 1 litro.

A construção do sistema, foi realizada em quatro etapas, dentre elas, (1)

estudo dos sensores e estrutura física para demonstração do sistema; (2)

programação no Arduíno para comunicação dos sensores; (3) construção de um

ambiente físico para implementação dos sensores; (4) estudo da transmissão de

dados e inclusão dos sensores modulo RF (no ambiente físico do sistema).

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Na etapa (4), foram utilizados a equação do paralelepípedo para os dados do

sensor ultra sônico e outra equação para o sensor de volume, ambas com finalidade

para calcular o volume e nível d'água no reservatório.

Equação [1] – Equação do Paralelepípedo

𝑉(𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑚³) = 𝐿𝑎𝑟𝑔𝑢𝑟𝑎 (𝑚) 𝑥 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑚) 𝑥 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 (𝑚)

Equação [2] – Equação para os dados do sensor de Fluxo

𝑉(𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑚3) = 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠( 𝐹𝑙𝑢𝑥𝑜)𝑥 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝑚𝑖𝑛)

Em resultados experimentais, foram realizados os testes e implementações das

teorias e conceitos para desenvolvimento do sistema.

4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Inicialmente os testes foram realizados de forma individual com cada sensor.

No dia 28/03/2015, iniciou-se os testes com o sensor de fluxo que comportou-se como

o esperado. A programação junto ao arduíno, foi realizada de forma satisfatória uma

vez que pode-se obter os códigos abertos que deram base para junção das

necessidades. Deste modo, nesta etapa não foi necessária a construção de um

ambiente físico para funcionamento do sensor fluxo, pois os testes foram realizados

em um meio externo contendo agua e mangueira.

No dia 18/04/2015, foram iniciados os testes com o sensor Ultra-sônico,

utilizou-se uma vasilha graduada em 0,5 litros com capacidade máxima de 1 litro. A

programação teste utilizada no Ultra-sônico para detectar o volume de agua ao passar

pelos pontos graduado na vasilha comportou-se como esperado, obtendo assim os

níveis da corretos de agua no reservatório.

Após todos os testes necessários para o funcionamento do sistema, bem

como, a verificação da vazão, nível e fluxo de agua, iniciaram-se os testes para a

transmissão de dados.

Estudos do funcionamento do módulo RF, foram realizados nos dias

09/05/2015 a 06/06/2015. Nos testes iniciais ocorreram grandes dificuldades de

compreensão de seu funcionamento, após sucessíveis testes com tipos diferentes de

bibliotecas atingiu-se um resultado satisfatório. A nova fase de testes, ocorreram-se

a transmissão dos dados coletados pelo sensor de fluxo e Ultra-sônico para o

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receptor; o receptor foi configurado em um Arduíno UNO, que recebeu os dados de

volume do sensor de fluxo e distância do Ultra-sônico. O transmissor foi configurado

em um Arduíno Mega juntamente com os sensores de fluxo e Ultra-sônico. Neste

ponto obteve-se bons resultados o que nos leva para a etapa final que é a definição

fixa de cada sensor na estrutura física do protótipo montado.

Foram realizados os testes finais no dia 13/06/2015 para aferir o

funcionamento integrado e correto de todas as partes do sistema,

transmissor/receptor. Utilizando-se já de uma estrutura física montada, foram

acionado a ignição da bomba d’água em que levou água até no sensor de fluxo, este

que imediatamente inicia a contagem da vazão real de fluido que é passado no

momento. Assim, na conexão de saída do sensor de fluxo se dá no reservatório

(aquário), em que no topo do reservatório, encontra-se o sensor Ultra-sônico

responsável por captar a distância entre a superfície da água contida do reservatório,

afim de obter os valores e poder utilizar-se a equação [1] à obter o volume real de

água contido no reservatório.

Após a obtenção destes valores, ambos os resultados são enviados para a

transmissão. O receptor é responsável por ajustar cada dado recebido, fazer a

comparação dos volumes captado pelos sensores, verificar a quantidade de ar

indesejável passada pela tubulação e enviar para a posição configurada no display.

Deste modo, o fluxograma no apêndice [1], demonstra o processo que ocorreu de

forma satisfatória no último grande teste, e o apêndice [2] demonstra os sensores e

modulo RF conectados nos Arduíno e um esquemático para melhor compreensão.

5. CONCLUSÃO

O término deste trabalho foi satisfatório, sendo possível cumprir os objetivos

propostos, podendo realizar o desenvolvimento do sistema de análise de fluidos; em

que pode-se verificar a distinção da passagem de ar e água de forma inteligente na

coleta de dados para tal funcionamento, uma vez ter apresentado uma solução

eficiente para cobranças errôneas nos hidrômetros.

Diante disto, as transmissões de dados por modulo RF pode ser utilizados para

envio simultâneo conforme a necessidade de extinção de fios. Ainda assim, trazem-

se mobilidade e praticidade para futuras manutenções e ao usuário final.

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Como projeto futuro pretende-se aperfeiçoar este trabalho para possíveis

melhorias nos sistema, bem como: implementação em grandes industrias afim de

verificar quantidade de água em tempo real em caixas ou reservatórios de

residências, e condôminos de difícil acesso.

Para a interdisciplinaridade, em que através da disciplina de Física

Termodinâmica, Onda e Optica, foram imprescindível os conceitos de onda,

termodinâmica e analise de superfícies para estudo e compreensão dos sensores

utilizados; através da disciplina de Eletrônica Digital, pode-se desenvolver a lógica de

comunicação dos sensores e modulo RF junto ao Arduíno; na disciplina de Equações

Diferencias, pode-se realizar cálculos matemáticos para gerar dados específicos;

através da disciplina de Desenho Técnico, desenvolveu-se o desenho do sistema

para melhor analise e compreensão visual conforme o apêndice [3].

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BRASIL: ÉPOCA - Quantos dias dura sua caixa d’água. Alessandro Azzoni; São

Paulo, 02 de Fevereiro de 2015. Disponível em <http://contentviewer.adobe.com

/s/Revista%20%C3%89poca/3297fac0e14742989cfd8ad8393d9e96/Revista_%C3%

89poca_869/001_Capa.html> Acesso em 06 de Abr. 2015.

BRASIL: SECOM - Uso racional da água promove sustentabilidade e evita

racionamento; outorga da água traça perfil de usuários. Disponível em <

http://secom.to.gov.br/noticia/206452/> Acesso em: 06 de Abr. 2015.

MCROBERTS, Michael. Arduíno Básico. Tradução Rafael Zanolli. São Paulo, 2011.

P. 22.

MORAIS, Alexandre Fernandes. Redes sem fio - Fundamentos.1° ed. Editora Erika,

2010. Pag. 20 á 37.

THOMAZINI, Daniel ALBURQUERQUE, Pedro U. B. Sensores Industriais

Fundamentos e Aplicações. 5º ed. São Paulo: Érica, 2005. Pag. 222.

TOOLEY, Mike. Circuitos eletrônicos: Fundamentos e Aplicações. 3º Ed. Rio de

Janeiro, 2007. Pag. 288.

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7.ÂPENDICE

[1]

Figura [1]: Fluxograma do Sistema.

Fonte: Elaborada pelo autor.

8

Figura [2]: Componentes no sistema e Esquemático.

Fonte: Elaborada pelo autor.

[2]

9

[3]

Figura [3]: Desenho Técnico do Sistema.

Fonte: Elaborada pelo autor.

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