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SIMULAO DE MICRODRENAGEM EM CIDADES CONSCIENTES

ADEMIR F. SILVA*, JULIO NOGIMA, DIEGO S. GALLO, MARCELO K. ZUFFO*

* Laboratrio de Sistemas Integrveis, Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrnicos, USP

Av.: Professor Luciano Gulaberto, 158 Travessa 3 So Paulo SP CEP: 05508-900

E-mails: ademir.ferreira@usp.br, mkzuffo@usp.br

Systems of Engagement and Insights, IBM Research - Brazil

Rua: Tutia, 1157 So Paulo SP CEP:04007-009

E-mails: jnogima@br.ibm.com, dsgallo@br.ibm.com

Abstract This paper analyzes the implementation of a wireless sensor network based on ultrasonic sensors for monitoring municipal waste in storm drain inlet. The premise is that continuous monitoring of these points is an important agent in prevent-ing floods, while optimizing the urban cleaning service indicating the precise points that should be treated as a priority. An ar-chitecture for urban micro drainage system is proposed considering the constraints of the operating environment, the sensor data collection by a mobile sink, and cloud computing for data treatment. It is considered the information from these sensors will be collected and transferred to cloud service via mobile sinks installed in garbage trucks. This opportunistic network data transfer was simulated between the sensors and the mobile sink, in the Cidade Universitaria area in the city of So Paulo. The results from simulations are analyzed and discussed as requirements in the implementation of micro drainage systems in sentient cities.

Keywords Storm drain inlet, Wireless Sensor Network, Opportunistic Networks, Sentient Cities

Resumo O artigo analisa a implantao de uma rede de sensores sem fio, baseada em sensores de ultra-som para monitoramento de resduos urbanos em bocas de lobo. A premissa que o monitoramento contnuo destes pontos um importante agente na preveno de enchentes, alm de otimizar o servio de limpeza urbana indicando com preciso os pontos que devem ser prioritariamente atendidos. proposta uma arquitetura de sistema de microdrenagem urbana considerando as restries do ambiente de operao, a coleta dos dados dos sensores pelo sorvedouro e um servio de computao em nuvem para tratamento dos dados. Considera-se que as informaes destes sensores sero coletadas e transferidas ao servio em nuvem, por intermdio de sorvedouros mveis instalados em caminhes de coleta domiciliar de lixo. Esta rede oportunista de transferncia de dados foi simulada entre os sensores e o sorvedouro mvel, na regio da Cidade Universitria na cidade de So Paulo. Os resultados atravs das simulaes so analisados e comentados como requisitos na implantao do sistema de microdrenagem em cidades conscientes.

Palavras-chave Sensor para Boca de Lobo, Rede de Sensores sem Fio, Redes Oportunistas, Cidades Conscientes.

1 Introduo

Em uma metrpole como So Paulo, as enchentes causadas pelas chuvas, apenas em 2008, ocasionaram prejuzos mensais de R$ 546 milhes (HADDAD & TEIXEIRA, 2013). Uma parcela significativa dos 110 pontos de alagamentos na cidade j registrados em apenas um dia durantes estes eventos (PMSP, 2009), no estava correlacionada com a topografia do terreno ou com a falta de investimentos pblicos em macrodrenagem (PMSP, 2010), mas com o prprio entupimento pelos transeuntes em vias pblicas, dos pontos de microdrenagem das guas das chuvas, as chamada bocas de lobo (FERRAZ, MAZZO & BRAGA, 2009 e SOLANO, 2009). Tipicamente a recomendao para a limpeza destes pontos a cada 60 dias (PMSP, 2012), mas com aproximadamente 400 mil bocas de lobos na cidade de So Paulo (PMSP, 2010), parte destes locais de coleta de gua pluvial sofrem o fenmeno de enchente por entupimento devido ao alto prazo na deteco de quais destes efetivamente precisam ser limpos.

Este trabalho prope um sistema para monitoramento da microdrenagem urbana, composto por: i) sensores de ultra-som alimentados por clulas solares instalados nestes pontos; ii) rede oportunista para coleta dos dados dos sensores, utilizando caminhes de lixo da coleta domiciliar

regular; iii) servio em nuvem para visualizao e anlise dos dados. O objetivo a diminuio da latncia na deteco dos pontos obstrudos de microdrenagem, utilizando a frota de caminhes de coleta domiciliar de lixo das cidades como infraestrutura mvel para sorvedouros e estes coletarem dados de sensores instalados nas bocas de lobo, tendo em vista que o servio de coleta domiciliar de lixo prestado pelos rgos municipais com periodicidade de 1 a 3 dias (PMSP, 2014).

2 Trabalhos Relacionados

SEE et al., (2012) apresentam um dispositivo para monitoramento de ralos de prdios e argumentam que o entupimento destes pontos so as maiores causas de alagamentos residenciais no Reino Unido. O dispositivo usa a plataforma Mica21 e baseia-se em um transdutor acstico para deteco do fenmeno, comunicando-se via ZigBee2 com o sorvedouro por um arranjo em estrela. O sorvedouro por sua vez tambm possui um rdio adicional GPRS (General Packet Radio Service) para comunicao com o servidor. Uma antena foi especialmente desenvolvida para a aplicao e testada com 8 ns espalhados entre 12 a 67 metros do sorvedouro. Neste

1 http://www.cens.ucla.edu/~mhr/daq/datasheet.pdf 2 https://www.zigbee.org/

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automtica Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

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trabalho a alimentao dos sensores se deu por 2 pilhas AA.

HAILONG & ZUXIN, (2011) prope um sistema para monitoramento de gua pluvial composto por sensores de ultra-som conectados via GPRS em um sistema Web com informaes geogrficas. Neste trabalho os autores no discutem sobre a possibilidade da funcionalidade dos sensores em uma rede ad hoc com alimentao autnoma, diferentemente da abordagem deste trabalho.

BURCH & PHILLIPS (1995) dissertam sobre a alta acurcia de sensores de ultra-som no monitoramento do fluxo de gua da chuva para a preveno do transbordamento de bueiros combinados (pontos que coletam simultaneamente o esgoto urbano e a gua da chuva). Entre as concluses levantadas esto que este tipo de transdutor isento de calibraes e possuem um largo intervalo de medies, sendo apropriado para monitorar as variaes na altura de gua desta aplicao. DURAN, ALTHOEFER & SENEVIRATNE, (2002) revisam o estado da arte de tecnologias de inspeo em esgoto. Os autores abordam os pontos prs e contra dos diversos mtodos de inspeo, como por cmera, laser, radar e ultra-som. Nota-se que em ambos trabalhos os autores reiteram a importncia do uso do ultra-som em aplicaes de monitoramento de agua pluvial.

3 Arquitetura

Em redes oportunistas os ns podem se comunicar mesmo nunca existindo uma rota definida de conexo entre eles segundo PELUSI, PASSARELLA & CONTI (2006). Funcionam com alta latncia em comparao as redes em modo infraestrutura tradicionais e aproveitam-se da oportunidade de movimentar-se um salto na rede para ficar mais prximo ao destino final (SHAH et al., 2003; PELUSI, PASSARELLA & CONTI, 2006 e ZHANG, 2006). Entre as tcnicas existentes de redes oportunistas, uma das promissoras para cidades aquela que aproveita infraestruturas mveis, que j executam uma rota e um servio predeterminado, para tambm coletar dados (PELUSI, PASSARELLA & CONTI, 2006). Conhecido como data mule e apresentado por SHAH et al., (2003) uma arquitetura em trs camadas constitudas por: i) sensores; ii) sorvedouros mveis e iii) infraestrutura computacional central.

Figura 1. Arquitetura de monitorao de microdrenagem urbana

Neste trabalho prope-se a implantao da arquitetura de redes oportunistas aplicada s necessidades do sistema de microdrenagem urbano, composto por: i) sensores nas bocas de lobo; ii) caminhes de coleta domiciliar de lixo como sorvedouros mveis e iii) servio de computao em nvem para visualizao e anlise de dados, figura 1. Considera-se que o funcionamento de uma rede de sensores de microdrenagem, contida em um sistema para

coleta de dados, monitorando eventos dirios e por modelos analticos, antecipando situaes extraordinrias do ambiente urbano, segue ao conceito de Cidades Conscientes, (SHEPARD, 2011 e KOCH et al., 2013) ao qual promove que as cidades, pelos sistemas de gerenciamento, podero se lembrar, correlacionar e antecipar situaes.

3.1 Sensor de microdrenagem

As vantagens da utilizao de transdutores ultra-snicos como sensores para monitorao de sistemas de drenagens esto na natureza no-invasiva da operao e na deteco de descontinuidades do meio segundo COBBOLD (2007). O mtodo de medio por ultra-som pulso-eco o prefervel para aplicaes como esta, onde apenas necessria a verificao da distncia entre o sensor e o objeto mais prximo longitudinalmente (WROBEL, 2012), sendo compatvel com a profundidade tpica de aproximadamente 100 cm da boca de lobo (SO PAULO, 2011). Contudo, os transdutores ao utilizar este mtodo devem ser escolhidos de forma que a largura do pulso seja inferior a 10 cm, caso contrrio a regio morta (KRAUTKRMER & KRAUTKRMER, 1990) inerente ao mtodo ser suficientemente grande para o sensor no detectar com preciso o entulho exatamente quando estiver no nvel da rua, transbordando a boca de lobo. Outro cuidado que se deve observar utilizando esta tcnica o acrscimo de sistemas de compensao de temperatura para corrigir eventuais erros de medio.

Sobre a autonomia de operao, devido prpria concepo de operao, as bocas de lobos se encontram em locais descobertos propcios para o aproveitamento da energia solar. Alm disso, este tipo de tecnologia facilita a instalao de sensores nestes pontos, uma vez que no necessrio uma infraestrutura eltrica prvia at este locais, indicando-se compatvel com a funo deste tipo de dispositivo.

Considerando tambm a existncia de milha