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COMUNICAÇÃO ENTRE LAGOA E ETA

1. INTRODUÇÃO

RESUMO

Esse projeto tem por objetivo elaborar um mecanismo de conexão sem fio, onde seu custo seja baixo, proporcionando ganho de produtividade e otimizando tempo dos colaboradores. Utiliza-se a tecnologia LoRa, um meio de comunicação sem fio, onde deve-se controlar uma bomba d’água, automatizando seu acionamento em uma distância de quinhentos metros e podendo chegar a uma distância de no máximo cinco mil metros.

Palavras-chave: 1 – Tecnologia. 2 – LoRa. 3 - Wireless

Bacharelado em Sistema de Informações Período: 6º Orientadora: Profº Espc. Fábio Garcez Bettio Autores: GABRIEL JESUS DOS SANTOS MATHEUS DE JESUS BARCELLOS BICCA PAULO RICARDO VERONES MORETTO RONALDO PAROSKI

A Revolução Industrial iniciada no século XVIII trouxe transformação nos meios de

produção, modos de produção anteriormente artesanais passaram pelo processo de automação,

resultando no aumento dos meios produtivos que consequentemente trouxeram a popularização

de produtos aliados com a redução no preço final do mesmo. Contrariando o pensamento da

época, esse processo de automação não afetou negativamente a oferta de empregos oferecidos à

população, pelo contrário, o crescimento econômico gerado aqueceu a produção da época,

resultando numa maior demanda por mão de obra que consequentemente acarretou num êxodo

dos trabalhadores rurais para a cidade, gerando uma explosão demográfica nos grandes centros

urbanos.

Sabe-se que a história não se resume a isto apenas, que nem tudo foi perfeito durante o

processo de industrialização vitoriana, porém é inegável que o acréscimo de máquinas aos meios

de produção foi o fator de maior importância do século XX. Atualmente a tecnologia têm se

tornado mais acessível do que nunca, a automação é parte da vida moderna, estando presente

em nossa comunicação, no grande poder computacional portátil que carregamos, até a

geolocalização disponível em qualquer parte do planeta, entre outros recursos que utilizamos

diariamente sem notar o valor produtivo atrelado aquilo.

O incremento tecnológico causou saltos de desenvolvimento exponenciais, a automação é

uma realidade nos meios produtivos e também tornou-se uma exigências para que empresas

sejam competitivas, da área da construção civil a produção de microprocessadores, a automação

de processos é o fator essencial para que o processo fabril seja eficiente o suficiente para ter um

alto índice de produtividade aliado a baixo custo de manufatura. Atualmente a automação está

acessível para pequenos e médias empresas, como também está disponível ao indivíduo que

necessite de algum grau de automação em suas atividades. Neste cenário este trabalho tem

como objetivo colocar em prática os conhecimentos adquiridos durante a graduação para atender

especificamente a necessidade do projeto apresentado pela cooperativa COASUL (Cooperativa

Agroindustrial), onde é necessário a melhoria no processo de controle de uma bomba d'água que

é

utilizada para fornecer água a uma cisterna de armazenamento que faz parte do processo

de tratamento de água.

Hoje é necessário que um funcionário gaste minutos em deslocamento para o

controle manual das bombas, esse funcionário precisa ainda vistoriar o funcionamento do

sistema e aferir de forma manual o nível das cisternas com fim de controlar o tempo de

funcionamento do sistema, esse processo é repetido de maneira constante durante o dia

para garantir o pleno funcionamento do sistema, além de evitar o transbordamento da

cisterna pelo excesso de água. Esse processo além de ser todo manual e pouco produtivo,

coloca em risco a segurança do funcionário, visto que existe riscos de ataque de animais no

caminho até o local e acidentes no manuseio do equipamento. Em resumo o projeto utiliza

microcontroladores interligado com sensores que farão o controle do funcionamento das

bombas, otimizando o processo pela dispensa o controle manual, e adicionando

funcionalidades para adquirir uma base de dados que podem ser usadas para decisões

futuras.

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1. FUNDAMENTAÇÃO DO NEGÓCIO

2.1.1 Processo Atual

Para o processo de decantação da água utilizada pela cooperativa de modo geral em

seus serviços, é interligada uma ETA (Estação de Tratamento de Água) com uma lagoa

localizada a 500 metros da estação, lá eles mantêm um sistema de bombeamento de água

para tratamento. Atualmente um operador desloca-se até a lagoa, para realizar o

acionamento de duas bombas de água manualmente realizando esse percurso a pé ou com

um veículo, desta forma, além do gasto com combustível e manutenção do automóvel,

existe o tempo que o operador leva para ir até o local, tempo esse que poderia ser utilizado

para realização de outras atividades. Quando a pé, o operador leva em torno de 20/30

minutos para ir e voltar; de carro, de 15/20 minutos.

Acionando as bombas, juntas possuem uma vazão de água de 180.000 m³/h em uma

cisterna, onde esta, suporta 2.340.000 litros de água.

Esse processo leva cerca de 13 horas para encher a cisterna e o operador deve

analisar visualmente para desligar o bombeamento de água, fazendo isso, e visto que está

no limite, o operador deve deslocar-se novamente até a lagoa para fazer o desligamento das

bombas.

No trajeto de deslocamento o funcionário está exposto a riscos de acidentes e

ataques de animais peçonhentos, pois as bombas estão em um local de difícil acesso, além

de que no processo de acionamento das bombas existem ainda riscos com o mecanismo em

Inova+ Cadernos de Graduação da Faculdade da Indústria – N.1/V.1, p. 654-677 – Fev/2020

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si. Ciente dos riscos e com intuito de aumentar a produtividade a cooperativa está buscando

melhorias desde 2010 e o funcionamento da ETA vem gerando para a cooperativa uma

grande economia.

2.1.1.1 Estações de Tratamento De Água

As estações de tratamento de água, conforme exemplo na FIGURA 1, utilizam de

filtros e produtos químicos para limpeza da água. Para este processo, são necessárias as

seguintes etapas para o tratamento:

● Coleta de água a ser tratada: Água é captada e colocada em tanques de tratamento

● Tanque para adição de produtos químicos: A água captada é escoada através de

bombas para tanques nos quais recebem a adição de sulfato de alumínio –

AI2(SO4)3 – e de hidróxido de cálcio – Ca(OH)2 que atuam como agentes floculantes.

● Floculação: Na sequência a água é enviada para câmaras de floculação, onde o

sulfato de alumínio e o hidróxido de cálcio geram, para o meio, hidróxido de

alumínio – AI(OH)3 -, que é pouco solúvel e forma um gel na superfície da água.

● Decantação das impurezas sólidas não-solúveis: Essa mistura é dirigida para tanques

chamados decantadores. Nesses recipientes, o gel formado decanta, arrastando

para o fundo do tanque as partículas em suspensão na água. A água, já livre de

algumas impurezas, é retirada pela parte superior dos tanques e encaminhada a

reservatórios, que dão sequência ao tratamento.

● Filtração: A água que passou por todo esse tratamento é dirigida a tanques de

filtração. Nesses tanques, ela passa por uma camada filtrante, formada por areia

fina, areia grossa, cascalho, pedregulho e carvão ativo.

● Cloração: Nos reservatórios, a água recebe a adição de pequena quantidade de cloro

– Cl2. Essa substância, em concentrações pequenas, elimina os micro-organismos

patogênicos presentes. A água também recebe pequenas quantidades de fluoreto

de cálcio – CaF2 – ou de fluoreto de sódio – NaF -, substância utilizada com a

finalidade de diminuir a incidência de cáries dentárias na população.

● Teste final: A água que passou por todas essas etapas de tratamento é submetida a

testes de aparência, de pH e de porcentagem de resíduos sólidos, dentre outras

análises. Em algumas estações de tratamento, parte da água tratada é usada para

alimentar um aquário contendo várias espécies de peixes. Essa é uma forma de


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monitorar constantemente o seu grau de potabilidade. Segue esquema abaixo de

ilustração de todo o processo.

FIGURA 1: Ciclo do Tratamento Da Água

Fonte (https://www.coladaweb.com/quimica/quimica-ambiental/estacao-de-tratamento-

deagua-eta)

2.2 FUNDAMENTAÇÃO DAS TECNOLOGIAS

A tecnologia está sendo inserida cada vez mais em processo de manufatura,

automatizando-os e substituindo os humanos de tarefas consideradas perigosas e

desgastantes. Com isto, a necessidade da cooperativa em melhorar seus processos chamou

atenção da equipe desenvolvedora do projeto, e a necessidade de pesquisa para de atender

e adequar ao que a COASUL necessita gerou fundamentação do que foi utilizado e meios

que foram desconsiderados.

2.2.1 Arduino

Máquinas ou dispositivos físicos cujo projeto é disponibilizado ao público de modo

que qualquer um pode construir, modificar distribuir e utilizar estes artefatos, esta é a

definição de “Open Hardware” segundo a Open Source Hardware Association (OSHWA),

uma organização sem fins lucrativos que certifica dispositivos Open Hardware visando

oferecer um processo simplificado aos desenvolvedores indicando que seus produtos se

enquadrem em um padrão. Para a OSHWA o projeto precisa seguir alguns critérios para ser


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considerado Open Hardware como a distribuição da documentação do projeto e

documentação necessária para modificação e distribuição de novas versões, não exigir

direito autorais de produtos derivados, entre outras.

No projeto será utilizado o Arduino Uno (ilustrado na FIGURA 2), uma placa com

microcontrolador ATmega328 de 8 bits operando até 16MHz, 2 KB de RAM, 14 pinos

digitais, 6 pinos analógicos, possui comunicação serial nos pinos digitais 0 (RX) e 1(TX), dois

pinos de alimentação que fornecem tensão de 3,3 V e 5 V respectivamente, comunicação

digital pela conexão USB da placa, entrada de alimentação e um botão de reset. Criado em

2005 com o objetivo de disponibilizar uma plataforma padrão de prototipação que fosse

funcional e fácil de programar, focado no baixo custo para ser acessível tanto para

estudantes quanto para projetistas, hoje o Arduino é o meio mais popular para ensino ou

desenvolvimento de prototipagem, implementação ou controle de sistemas. Na FIGURA 2

mostra o microcontrolador Arduino UNO utilizada no projeto.

FIGURA 2: Arduino Uno

Fonte (https://cdn.awsli.com.br/600x450/550/550647/produto/20910980/6dc5bafab6.jpg).

O Arduino pode ser integrado com vários modelos de componentes ou sensores que

expandem a funcionalidade da placa controladora, um componente é conectado a placa

pelas portas digitais ou analógicas que farão a comunicação com esse componente, a

alimentação deste componente é através dos pinos de alimentação. Um módulo expansivo


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geralmente é uma placa que contém sensores ou atuadores além de componentes

auxiliares como LED’s, capacitores e resistores.

Essa placa é composta com 14 pinos de entrada e saída digital (dos quais 6 podem

ser usadas como saídas PWN), 6 entradas analógicas, um cristal de 16MHz, uma conexão

USB, uma entrada de alimentação uma conexão ICSP e um botão de reset. Ele contém todos

os componentes necessários para suportar o microcontrolador, simplesmente é conectado

a um computador pela porta USB ou alimentar com uma fonte ou uma bateria e tudo

pronto para funcionar.

2.2.2 Comunicação Sem Fio

Dentre as várias possibilidades de expansão do Arduino através de seus módulos, a

comunicação sem fio a longas distâncias é uma realidade disponível por um baixo custo, a

definição da tecnologia utilizada é definida pelas características do projeto, custos, distância

e quantidade de dados que se deseja transmitir. As possibilidades de automação de

processos são diversas, com a possibilidade de coleta de dados em tempo real e controle de

processos de forma automatizada.

Wireless significa “sem fio”, esta tecnologia é baseada na transmissão e recepção de

ondas eletromagnéticas que se propagam pelo espaço com um número de oscilações por

segundo denominado frequência, para esta transmissão ocorrer, é utilizando antenas e

receptores em uma determinada distância entre dispositivos, sendo possível enviar e

receber dados. A comunicação sem fio é dividida por alguns meios específicos, como

transmissão por micro-ondas, em infravermelho, via luz, por satélite e por rádio, esta, foi

utilizado no projeto através do módulo LoRa. A comunicação Wireless é comumente

utilizada para comunicação remota, ela compreende vários tipos e padrões de redes como o

Bluetooth e Wi-FI (Tse, David, 2004), abrangendo vários dos componentes que podem ser

utilizados como meio de comunicação entre eles, possuindo diversas soluções para

diferentes projetos.

2.2.2.1 Tecnologias Estudadas


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Para a decisão da utilização de qual tecnologia sem fio em função de desenvolver

uma solução para a Cooperativa, procurou-se por módulos que atendiam os requisitos do

projeto proposto pela mesma, como inviabilizar o deslocamento humano até as bombas

pressurizadas, substituindo esse método mecânico e desgastante para uma solução mais

tecnológica sendo remota ou automática(esta, não exigida pela cooperativa, mas colocado

em discussão pela equipe desenvolvedora em função de aumentar a produtividade)

diretamente da ETA (Estação de tratamento de água); solução que atenda em uma

distância em torno de 500 metros com obstáculos, como mato, árvores e morros;

desconsiderar utilização de fios entre a estação e as bombas diretamente, como já cotado

pela cooperativa tem um alto custo por conta da distância; e como visto no requisito

anterior, o custo-benefício deve ser prevalecido.

Abaixo, alguns dispositivos que foram pesquisados, mas não foram utilizados,

abordado junto o motivo de não atenderem às especificações do projeto.

2.2.2.1.1 Módulo NRF24L01

Módulo representado na FIGURA 3, é um transceptor Wireless que transmite na

frequência de 2.4GHz, possui baixíssimo consumo de energia com uma taxa de transmissão

de até 2Mbps. Seu alcance é inversamente proporcional a taxa de transmissão, sendo que

seu alcance máximo só é possível transmitindo a 250Kbs, tendo como situação oposta o

menor alcance em sua taxa de transmissão máxima, podendo chegar a uma distância

aproximada de 100 metros, assim, não atendendo o fator de distância requerido no objetivo

do projeto, tornando-se inviável sua utilização.

FIGURA 3: Módulo NRF24L01

Fonte (http://modtronix.com.au).


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2.2.2.1.2 Módulo RF 433MHz

Componente (FIGURA 4) transmite dados em Radiofrequência, sua comunicação é

feita por dois componentes em sentido único, esta é a maior desvantagem deste módulo

onde um componente transmite e o outro recebe os dados (conforme imagem abaixo). Seu

alcance pode chegar a 200 metros, podendo variar conforme a tensão de alimentação (de

3,5 a 12v), tem como ponto forte o baixo consumo de energia e baixo custo, como ponto

fraco o componente permite envio numa única direção e possui baixa taxa de transmissão

de dados. Este, como o módulo anterior, não tem uma distância de transferência de dados

que atenda a distância requerida pela cooperativa.

FIGURA 4: Módulo RF 433MHz

Fonte (https://www.filipeflop.com).

2.2.2.1.3 Módulo HC-12

O HC-12, representado na FIGURA 5, permite a comunicação entre longas distâncias,

seu alcance pode chegar próximo dos 1000 metros de distância, transmitindo em

frequências de 433.4 à 473 MHz, utiliza interface serial para se comunicar com o

microcontrolador, é um módulo de fácil utilização que se integra com diversos componentes

diferentes.

A comunicação serial é amplamente utilizada em diversos dispositivos, sendo uma

das formas mais comum de integração de equipamentos, essa comunicação ocorre através

da transmissão de informações bit a bit sequencialmente por uma única via com uma

distância máxima de transferência de 1000 metros, porém diminuindo o alcance se houver

obstáculos no caminho. Essa característica permite a integração deste módulo a diversos


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dispositivos compatíveis com interface serial sem a necessidade de um microcontrolador

como intermediário.

FIGURA 5: Módulo HC-12

Fonte (https://www.arduinoecia.com.br).

2.2.2.1.4 Módulo XBEE S2C ZIGBEE

O módulo ZigBee, ilustrado na FIGURA 6, trabalha com frequência de 2.4 GHz com

uma taxa de transmissão de até 250 Kbps numa distância que pode passar de 1000 metros

em áreas abertas, sendo uma boa opção de conectividade wireless para circuitos eletrônicos

e aplicações onde o consumo de energia é um fator crítico. Têm como diferencial ser

certificado pela Anatel (Agência Nacional de Telecomunicações) o garante que o

equipamento está dentro das especificações definidas pela agência, por outro lado seu alto

custo pode dificultar a implantação desse componente no projeto.

FIGURA 6: Módulo XBEE S2C ZIGBEE

Fonte (https://www.filipeflop.com)

2.2.2.2 Tecnologia Utilizada

Dentre as pesquisas sobre módulos a ser utilizado, encontrou-se o módulo LoRa

433Mhz, considerada adequada sua utilização para a solução no projeto, atendendo os

requisitos de distância e custo-benefício proposto pela cooperativa.


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Abaixo é apresentado o módulo de uma forma mais completa.

2.2.2.2.1 Módulo LoRa 433Mhz

A tecnologia LoRa (Long Range) é uma das mais novas tecnologias de rádio

frequência criada pela empresa Semtech, já presente em muitos países da Europa possui

como principais características seu longuíssimo alcance e baixa potência, e com um preço

acessível. Entre os módulos é o que possui o maior alcance, podendo passar dos 10

quilômetros em áreas abertas, possui como desvantagem a baixa capacidade de

transferência de dados (2.4Kbps). Além disso por possuir uma especificação de camada

lógica mais fácil de organizar o envio da informação.

Seu funcionamento baseia-se em uma rede na topologia estrela, assim sendo similar

a uma rede de celular. Suas principais aplicações são sistemas de IoT(internet das coisas)

como sensores e monitores remotos( pressão, luz, on-off, temperatura, etc.), sobretudo

aqueles operados a bateria, de mensagens curtas de status que sejam fácil ou difícil acesso.

Este módulo é resistente a interferência e permite a recuperação do sinal muito mais

eficiente que outros métodos. Para se ter uma concepção, é possível recuperar um sinal de

20dB abaixo do nível do ruído. E aí está o grande segredo das comunicações LoRa irem tão

longe com baixas potências.

Muito utilizado em conjunto com sensores enviando dados para servidores, seu

baixo consumo de energia permite seu funcionamento por longos períodos sendo

alimentado apenas por baterias. Esta tecnologia não é vista como uma substituição das

soluções de comunicações atuais, ela chega como um processo complementar e não

substituto. Algumas limitações do LoRa são, por exemplo, o fato de não poder ser usada

para geoposicionamento visto que sua acurácia é menor do que a do GPS.

FIGURA 7: Módulo LoRa 1278 433MHz


663

Fonte(https://www.dnatechindia.com).

Contudo, para auxílio de uma tomada de decisão em escolher dentre os módulos

pesquisados, a equipe organizou em uma tabela com informações técnicas de cada módulo,

comparando uns com os outros, colocando o foco nas exigências da cooperativa como baixo

custo de equipamentos e serviços necessários e consideração da distância necessária para o

funcionamento do processo.

Segue abaixo, a tabela, considerando de cima para baixo, a primeira a melhor

solução e a última menos provável.

TABELA 1: Comparação entre os equipamentos procurados

2.2.3 Medindo o Nível da Cisterna

Na automatização do processo de controle do nível de água do reservatório,

pesquisou-se por tecnologias que transmitisse informações com base na proximidade. A

distância entre água e o módulo, será programada para acionar o ligamento e o


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desligamento das bombas automaticamente de acordo com as especificações do quão cheio

e o quão vazio é permitido a tanque ficar.

2.2.3.1 Módulo Sensor de Distância Ultrassônico HC-SR04

Esse sensor, ilustrado na FIGURA 8, é capaz de medir distâncias de 2cm a 4m com

ótima precisão, este módulo possui um circuito pronto com o emissor e receptor acoplados

com 4 pinos. Para iniciar sua funcionalidade é necessário alimentar o módulo e colocar o

pino trigger em nível alto por mais 10 us. Sendo assim, o sensor emitirá uma onda sonora

que ao encontrar um obstáculo, rebate de volta em direção ao módulo. Durante o tempo de

emissão e recebimento do sinal, o pino Echo ficar em alto nível.

FIGURA 8: Módulo Sensor de Distância Ultrassônico HC-SR04

Fonte: (https://meetarduino.files.wordpress.com)

2.2.3.2 Módulo Sensor de Distância VL53L0X

Este sensor é um módulo eletrônico de alta precisão, suas funcionalidades é capaz

de fazer medições de distâncias com mínima margem de erro se comparado a outros

sensores existentes, seu funcionamento é simples, quando em operação ele envia um laser

invisível a olho nu, onde este é refletido e volta, fazendo com que o sensor consiga medir

com exatidão o tempo de resposta.

Possui integrado em seu interior um CI STM32 de forma a eliminar as comunicações

complexas, ele apresenta diversas possibilidades de forma de comunicação, incluindo saída

serial, saída PWM e I2C, assim facilitando a utilização com microcontroladores.


665

Por apresentar melhor precisão mesmo em longas distâncias, mas pelo preço não foi

aplicado no protótipo, porém é a melhor solução para a cisterna, segue abaixo a FIGURA 9

representando o VL53L0X.

FIGURA 9: Módulo Sensor de Distância VL53L0X

Fonte: (https://www.filipeflop.com)

2.2.4 Módulo RTC DS1307

Este módulo tem um componente muito útil para montar algum tipo de relógio com

o microcontrolador Arduino, acionar alarmes e assim executar ações em horários

predeterminados. Ele apresenta 56 bytes de memória não-volátil disponível para uso, é

capaz de armazenar e fornecer informações completas de data como dia da semana, dia do

mês, ano, e apresentando funções de horas, minutos e segundos, nos diferentes formatos

de 12 ou 24 horas. Segue abaixo na FIGURA 10 módulo RTC.

FIGURA 10: Módulo RTC DS1307

Fonte: (/https://www.filipeflop.com)


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2.2.5 Módulo Relé 5V 1 Canal

Com este módulo (representado na FIGURA 11) pode-se ter autocontrole de

equipamentos utilizando um pino de controle, já que seu circuito a ser alimentado fica

completamente isolado do circuito do microcontrolador, tendo fácil utilização com Arduino.

Este módulo funciona com tensão de 5V, e pode acionar cargas de até 250 VAC ou

30 VDC, suportando uma corrente máxima de 10A. Ele apresenta um LED indicador de

energia, 2 pinos de energia e 1 de controle, além do borne de saída com parafusos,

facilitando a conexão dos equipamentos.

FIGURA 11: Módulo Relé 5V 1 Canal


2.2.6 Sensor de Luminosidade LDR

Este sensor, visualizado na FIGURA 12, é um componente cuja resistência varia de

acordo com a intensidade da luz, quanto mais luz incidir sobre o componente, menor será a

resistência. Ele pode ser utilizado em projetos com Arduino e microcontroladores para

alarmes, automação residencial, sensores de presença e outros. Ele é frequentemente

utilizado nas chamadas fotocélulas que controlam o acendimento de poste de iluminação e

também é bastante utilizado em sensores fotoelétricos.


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FIGURA 12: Sensor de Luminosidade LDR


3.TRABALHOS RELACIONADOS

3.1 SISTEMA DE MONITORAMENTO DO RIO ITAJAÍ PARA PREDIÇÃO DE ENCHENTES.

Neste sistema é apresentado um protótipo para monitoramento do rio, onde foi

utilizado um sensor infravermelho Sharp, uma placa microcontroladora (Arduino Uno),

Shield de Ethernet para o Arduino, e antenas e cabos para enviar os dados e recepção dos

mesmos na sede. Neste projeto utilizou-se uma boia, um pluviômetro eletrônico, um

Arduino, um sensor Sharp e uma régua de acrílico para ser demarcado os pontos de

metragem. Um computador no local foi utilizado para recolher os resultados via

transferência USB. Os dados foram recolhidos, no período de uma hora, em Ituporanga e os

resultados obtidos foram satisfatórios ao existente no sistema CEOPS.

3.2 SISTEMA DE MONITORAMENTO NÍVEL DA ÁGUA COM MULTISENSORES.

Este trabalho apresenta o processo de desenvolvimento do WIDAS (Wirelles Data

Acquisition System), onde se trata de um sistema de monitoramento de nível de água com

multisensores. Ele possui um microcontrolador (ATMega8L), um dispositivo de exibição de

dados e um sensor de distância ultrassônica (Parallax Ping). O sistema wireless obtém as

leituras dos sensores e dispositivos digitais e analógicos em determinado tempo através de

sua comunicação do módulo de RF (Tx-RX). Apesar do Widas ser um projeto simples,

flexível, e de baixo custo, que se apresentou confiável nas medições realizadas, ele não lida


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com a pilha TCP/IP e o protocolo HTTP, ou seja, o mesmo não possui um sistema baseado na

Arquitetura Cliente Servidor.

3.3 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DE NÍVEL PARA

REAPROVEITAMENTO DA ÁGUA.

Neste, apresenta um sistema de controle automático e reaproveitamento da água,

utilizando um microcontrolador Arduino. O sistema apresenta reaproveitamento da água

gerada, principalmente o da máquina de lavar, sendo reutilizada pela mesma, e também

sendo usado nos vasos sanitários e para limpezas de calçadas. Neste sistema há uma

eletrobomba sendo conectada a um reservatório inferior, que faz com que o abastecimento

do reservatório superior seja realizado conforme o nível desejado, também apresenta

sensores de leituras dos níveis, display que informa os níveis e possíveis erros do

funcionamento, eletroválvula para abastecimento com água que vem da distribuidora,

abastecendo o reservatório superior se for necessário. Apresenta-se o resultado em uma

lavadora de roupas que seu consumo varia entre 100 e 120 litros por ciclo, com esse

projeto, o consumo de água de uma residência diminuirá consideravelmente. Com o

resultado esperado, há um melhor controle e gerenciamento do consumo de água, assim

resultando numa economia significativa para os usuários, tanto quanto o desperdício de

água.

4. DESCRIÇÃO DO SISTEMA

4.1 DESCRIÇÃO DO SISTEMA ATUAL

Atualmente a cooperativa necessita de que seus funcionários acionem bombas de

água pressurizadas manualmente numa estação de tratamento de água, armazenando-a em

uma cisterna, isto implica uma mão de obra perigosa, desgastante e com desperdício de

tempo desnecessário, já que a ETA é consideravelmente longe do local onde é localizada a

COASUL. O caminho até a estação é de difícil acesso obtendo como obstáculos, mato,

árvores, rochas, morros e animais. Na realização desta tarefa, um colaborador precisa ir

através de um tempo médio estabelecido depois do último preenchimento para realizar o

processo novamente, isto acontece por não obterem nenhum sistema que indica a


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necessidade do deslocamento até o local, portanto, desloca-se até a estação a pé ou com

auxílio de um veículo (caso disponível). Chegando ao local, o colaborador visualiza o quão

vazio está o reservatório e tira uma média de quanto tempo precisa que as bombas fiquem

ligadas. Ligando-as, retorna para a cooperativa já que para encher a cisterna, geralmente

leva um tempo entre 12 e 13 horas dependendo do quão vazio estava a cisterna. Passado o

tempo definido, o colaborador volta para a ETA, verifica o grau de preenchimento do

tanque, e desliga as bombas e retorna para a cooperativa. Para esvaziar a cisterna leva cerca

de 48 a 72 horas dependendo do uso, assim precisando repetir o mesmo processo descrito

depois desta média de tempo.

Esta água armazenada é utilizada para uso em geral na cooperativa, como lavagem

de grãos/sementes, na produção, no abatedouro, entre outros.

Por visualizarem a necessidade da mudança deste processo para algo mais prático e

barato, recorreram a plataforma GP Inovação onde empresas que precisam de soluções

tecnológicas em seus processos de trabalho, descrevem os problemas, e alunos que cursam

na área de tecnologia juntamente de auxílio de outras áreas, desenvolvam alguma solução

eficaz dentro das especificações estabelecida. Com isto, a cooperativa solicita um sistema

com custo baixo e que desconsidere o deslocamento, sendo um processo que possa ser

realizado remotamente, ou até mesmo automaticamente.

4.2 DESCRIÇÃO DO SISTEMA PROPOSTO

O sistema é responsável por controlar a automação das bombas, a fim de definir o

nível da água, podendo utilizar o processo de decantação para tratamento de água. Assim

excluindo o perigo para pessoas que realizam este processo, reduzindo o gasto de

combustível, melhorar o aproveitamento de tempo que o operador leva em deslocar-se do

local de trabalho até a estação para ligar os equipamentos, e automatizar todo o processo,

assim aumentando a produtividade.

Utilizou-se um conjunto de microcontroladores do modelo Arduino Uno para

constante monitoramento e controle do sistema de bombas, o microcontrolador fica na

ETA, sendo alimentado pelo sistema de energia já existente no local. O processo de decisão

leva em conta os dados fornecidos por sensores modulares, que estão ligados ao


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dispositivo, nesse processo leva-se em consideração três fatores: Volume da cisterna,

horário e turbidez do líquido.

São dois sistemas de controle separados com funcionamento distinto, porém ambos

manterão uma comunicação constante via sistema LoRa. O primeiro é denominado

“Controlador” ilustrado na FIGURA ** que é responsável por controlar o funcionamento das

bombas e colher dados do funcionamento de todo o sistema, o segundo é responsável por

receber as informações sobre o funcionamento do sistema de forma remota e enviar as

informações recebidas para o sistema Web onde um funcionário pode monitorar o

funcionamento de todo o sistema, este, foi denominado como “Administrador” ilustrado na

FIGURA **.

FIGURA 13: Controlador

Fonte: Autor utilizando o Fritzing (para design de hardware eletrônico)


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FIGURA 14: Administrador

Fonte: Autor utilizando o Fritzing (para design de hardware eletrônico)

Na parte do controlador, o microcontrolador é alimentado com informações sobre o

nível do reservatório através de sensores que serão instalados dentro da cisterna,

inicialmente pensou-se em utilizar sensores analógicos que utilizam um sistema de capacitor

e boia para obter a leitura de nível de determinado reservatório. Esta opção foi descartada

por apresentar baixa precisão e não obter dimensionamento suficiente para obter leituras

precisas de um reservatório do tamanho utilizado pela COASUL. Para lidar com reservatório

de grande dimensão a solução teve que fugir do convencional, com fim de aliar simplicidade

com precisão, então, foi escolhido para o projeto um sensor capaz de medir a distância do

nível da água até o ponto de referência na parte superior do reservatório. Tendo a leitura

através do nível requerido do líquido dentro do reservatório aliada às dimensões do

reservatório, é possível obter o volume preciso em tempo real do reservatório por meio do

cálculo do volume de um cilindro. O projeto foi utiliza um módulo de ultrassom que possui

precisão aceitável para as dimensões do protótipo, porém na implantação da planta de

tratamento em tamanho real serão utilizados sensores mais precisos e dimensionados para

o tamanho da cisterna, como por exemplo o sensor de distância que utiliza laser.

Outro problema era evitar que todo o sistema funcionasse em horário que não

houvesse supervisão de um funcionário, para casos de problemas apresentados pelo

sistema ou algum problema semelhante. Para isso foi adicionado ao projeto um módulo

RTC, que fornece ao microcontrolador dados de hora e data, assim foi possível implementar


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ao processo decisório restrições sobre horário de funcionamento do sistema, outra

vantagem com este módulo, é que as informações colhidas pelo protótipo possuem uma

marcação temporal que auxilia na análise dos dados colhidos pelo sistema, por exemplo,

através de análise será possível identificar os dias onde o sistema é mais exigido, algum

problema no funcionamento das bombas através da alteração do tempo necessário para

encher a cisterna, entre outros.

Com intuito de melhorar e acrescentar funcionalidades extras que melhoram o

controle do tratamento adicionou-se uma nova função com um sensor de luminosidade que

complementa o projeto, ele aliado a um LED fica responsável por proteger o funcionamento

das bombas. Explicando o funcionamento, o sensor de luminosidade e o LED são instalados

em posições oposta, o LED tem a função de ser uma fonte de luz constante para o sensor de

luminosidade, esse conjunto pode ser instalado no rio onde a água é captada ou na entrada

de alimentação da cisterna, a partir da obtenção de uma leitura padrão é possível detectar o

aumento da turbidez da água causado pela diminuição da luz captada pelo sensor. Caso haja

contaminação da captação por lama, por exemplo, a leitura de luz obtida pelo sensor irá

diminuir, criando assim um “sinal de alerta” no processo decisório da programação que irá

interromper o funcionamento do sistema e emitirá um aviso para o sistema do

administrador.

Baseando-se nos dados colhidos o conjunto denominado “Controlador” gere o

funcionamento do sistema de bombas através de um módulo relé ligado na alimentação do

sistema de bombeamento, como obteve-se acesso ao local e aos aparelhos utilizados, esta

foi uma solução alternativa que serve para qualquer sistema, o módulo relé funciona

através da interrupção ou não da alimentação de energia elétrica, basicamente é como se

estivesse colocando ou retirando as bombas da tomada, futuramente é possível integrar

todo o sistema no próprio painel de controle das bombas, ligando os circuitos elétricos e

tendo mais controle sobre o conjunto.

As informações colhidas pelo Controlador, assim como seu status de funcionamento,

são enviadas para o Administrador via comunicação pelo módulo LoRa. Durante o

funcionamento a rotina do microcontrolador envia as informações via comunicação serial

para o módulo LoRa, que por sua vez converte o conteúdo recebido para protocolo de

comunicação próprio e os transmite via radiofrequência. O sinal de rádio chega no sistema


673

do Administrador e recebe o tratamento contrário, tratando o conteúdo recebido e

enviando via comunicação serial para o microcontrolador.

TABELA 2: Descrição dos problemas e soluções

PROBLEMA IMPACTO SOLUÇÃO

Funcionários precisam ir até a

estação de tratamento. Perigo no caminho,

desperdício de tempo, gastos

com manutenção e

combustível do veículo.

Módulo que envia e recebe

dados de ativação da bomba a

distância por radiofrequência.

Funcionários não têm controle

do nível da água.

Necessita ver a olho o nível da

água na cisterna. Sensor que verifica o nível de

água e envia dados para o

sistema web onde têm acesso

a informações.

Funcionários precisam ligar e

desligar bombas

manualmente.

Necessidade de deslocamento

até a estação duas vezes no

mesmo processo e perigo de

choque no acionamento do

mecanismo.

Acionamento automático em

troca de dados entre os

microcontroladores de acordo

com informações dos

sensores.

Funcionários não têm controle

sobre a turbidez da água

armazenada.

Não tem como controlar a

necessidade da quantidade de

utilização dos recursos para

tratamento da água

armazenada.

Sensor que envia dados sobre

o grau de turbidez da água.

Necessidade de um controle

de hora e data.

Não há como analisar

precisamente dias e horários

com base nos intervalos de

acionamentos, a quantidade

de água utilizada de acordo

com o esvaziamento da

cisterna.

Módulo que enviar dados de

horário e data sobre ações do

sistema.

4.2.1 Desenvolvimento do Sistema

Para captação das informações obtidas pelo dispositivo desenvolvido, desenvolveu-

se um sistema web em JavaScript junto com Node.js, HTML5 e CSS3 onde trata e mostra os

dados informativos recebidos sobre o nível de preenchimento da cisterna, a turbidez da


674

água armazenada e horário das ações realizadas pelo controlador. Essas informações são

mostradas em um gráfico (exemplo na FIGURA 13), em tempo real, adicionando

simplicidade e fácil dedução dos dados recebidos pelo dispositivo Administrador.

FIGURA 13: Gráfico de gerenciamento da cisterna.

Fonte: Autores

4.2.1.1 Front-end

Javascript foi criada na Netscape na fase inicial da Web. Na última década,

praticamente todos os navegadores interpretam Javascript. É uma linguagem dinâmica,

orientada a objetos e criada com sintaxe similar à linguagem C. Uma linguagem de script

tem a funcionalidade de ser executada no interior de programas ou de outra linguagem de

programação, funcionando assim como uma interação, toda a parte de lógica da página que

está sendo desenvolvida. O javascript foi implementado para comunicação com o back-end

recebendo dados tratados por ele.

HTML5 é uma abreviação de Hypertext Markup Language, ou seja, Linguagem de

Marcação de Hipertexto, resumindo é uma linguagem usada para a publicação de conteúdo

na Web. CSS3 usado para colocar estilos dentro de uma página Web, com efeitos de

transição, imagem de background. Pode-se aplicar diferentes layouts a partir de um único


675

arquivo CSS. Ambos foram utilizados para gerar a interface que servirá para traduzir as

informações recebidas pelo dispositivo.

4.2.1.2 Back-end

Para o back-end foi utilizado o Node.js, este, definido como um ambiente de

execução Javascript server-side, isso significa que é possível criar aplicações para rodar

scripts Javascript como uma aplicação standalone em uma máquina, não dependendo de

um browser para a execução.

Node.js representa uma nova tecnologia em Javascript, é uma plataforma para criar

facilmente aplicativos de rede escaláveis e rápidas, sendo controlado por eventos que o

torna mais leve e eficiente, perfeito para aplicativos em tempo real e com uso intenso de

dados que são executados em dispositivos distribuídos. Ele trata das informações recebidas

via serial, gerando uma ponte com o front-end.

5. CONCLUSÃO

Durante o desenvolvimento do projeto foi possível alocar os conhecimentos

adquiridos durante o semestre com a finalidade de solucionar a demanda apresentada pela

cooperativa rural. Para a implementação foi necessário estudar métodos de automatização

do hardware disponível no sistema de bombeamento, de forma a transformar todo o

processo apresentado num sistema autônomo de controle que fosse independente da ação

humana e que fornecesse mais informações durante todo o processo.

Com sucesso foi desenvolvido um protótipo baseado na plataforma Arduino

totalmente funcional e capaz de gerar o sistema de bombeamento. Antes o funcionário

levava 30 minutos a pé ou 15 minutos com um veículo para ligar a bomba, agora o sistema

desenvolvido realiza o mesmo processo de forma autônoma e independente, capturados

dados sobre o estado do funcionamento da estação de tratamento e os enviando.

Contudo, por não ter tido retorno nos e-mails enviados a cooperativa, não houve

como ter contato direto para obter mais informações sobre o processo e condições do local,


676

então, desenvolveu-se o sistema e protótipo com base no entendimento no que foi descrito

por eles na plataforma GP Inovações.

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comunicaÇÃo entre lagoa e eta - fiepr.org.br

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