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FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Sistema autónomo de monitorização daqualidade de águas fluviais baseado em

tecnologia Sigfox

Nelson Rafael Portela Maciel

Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientador: Professor Doutor Paulo José Lopes Machado Portugal

27 de Fevereiro de 2020

Resumo

Este documento resulta do projeto de dissertação do autor e procura consolidar o estudo re-alizado no desenvolvimento de um sistema autónomo de monitorização da qualidade de águasfluviais.

O sistema visa ser implementado ao longo das margens dos recursos hídricos com o objetivode detetar com precisão e de forma automática focos de poluição da água.

O módulo de monitorização foi baseado no microncontrolador ESP32-WROOM-32D desen-volvido pela Espressif Systems. A aquisição de dados dos parâmetros físicos e químicos paraidentificação de situações de contaminação é realizada de forma periódica com recurso a um con-junto diversificado de sensores ambientais que pode ser configurado pelo utilizador de acordo comas caraterísticas da monitorização pretendida.

As comunicações entre o sistema e o servidor externo são realizadas através da rede Sigfox.Esta é uma rede 0G inserida no contexto das redes LPWAN com reduzido consumo de energia .

Para a garantir a auto-suficiência energética do sistema foi desenvolvido um módulo de energyharvesting para recolha de energia a partir de um painel fotovoltaico, que engloba um controladorMPPT e um circuito para carregamento da bateria de alimentação do dispositivo.

De forma a compreender os desafios do problema que o sistema se propõe a solucionar, foirealizado um rigoroso estudo preliminar onde são abordados os conceitos inerentes à análise daqualidade da água, assim como apresentadas algumas soluções já existentes no mercado similaresà proposta desenvolvida. A informação reunida neste estudo é parte do presente documento.

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Abstract

This document results of the thesis project of its author and its objective is to consolidate thestudy conducted in the developing of an autonomous system to freshwater quality monitoring. Thesystem’s objective is to be implemented along the borders of hydric resources with the purposeof detecting sources of pollution in the water automatically and with accuracy. The monitoringmodule was based on the ESP32-WROOM-32D microcontroller, developed by Espressif Systems.

The acquisition of data for both physical and chemical parameters for the identification ofcontamination situations is done periodically by using a diversified set of environmental sensors,which can be configured by the user according to the characteristics of the intended analysis.Communications between the system and the external server are performed through the Sigfoxnetwork. This is an 0G network with a reduced power consumption inserted in the context of theLPWAN networks.

To ensure the system’s power self-sufficiency, an energy harvesting module was developedto collect energy from a photovoltaic panel which englobes an MPPT controller and a circuit forrecharging the device battery.

In order to understand the challenges of the problem this system proposes to solve, a rigorouspreliminary study was directed by approaching the inherent concepts to water quality analysis, aswell as some already existent and market available solutions are presented, which are similar tothe developed project. The information gathered in this study is also part of this document.

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Agradecimentos

Ao longo da realização desta dissertação pude contar com o apoio de diversas pessoas, às quaispretendo agora deixar registado os meus sinceros agradecimentos.

Em primeiro lugar, quero agradecer ao meu orientador, o Professor Doutor Paulo Portugal,pelo acompanhamento prestado e conhecimento partilhado que se verificaram essenciais para osucesso deste projeto.

Quero agradecer também aos amigos que me desafiam e motivam no dia-a-dia.Por último, mas não menos importante, estou profundamente grato ao meu Pai, à minha Mãe

e aos meus irmãos pelo apoio incondicional ao longo de todo o meu percurso.

Rafael Maciel

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“Our virtues and our failings are inseparable, like force and matter.When they separate, man is no more.”

Nikola Tesla

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Conteúdo

1 Introdução 11.1 Enquadramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 Estrutura da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Estado da Arte 52.1 Análise da Qualidade da Água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.2 pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.3 Oxigénio Dissolvido (DO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.4 Condutividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Sistemas Automáticos de Monitorização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.1 NexSens Tecnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.2 Libelium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3 Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.1 Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.2 pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.3 Oxigénio Dissolvido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3.4 Condutividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.3.5 Sondas de multi parâmetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4 Fonte de Alimentação e Tecnologias de Energy Harvesting . . . . . . . . . . . . 212.4.1 Fontes de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.4.2 Armazenamento Energético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.5 Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.5.1 Sigfox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3 Solução Proposta 293.1 Análise de requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2 Arquitetura do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2.1 Interface com sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.2.2 Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.3 Fonte de alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2.4 Arquitetura de software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4 Implementação 394.1 Hardware do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.2 Ficheiros de configuração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

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x CONTEÚDO

4.2.1 Configuração do módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.2.2 Configuração dos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.2.3 Configuração dos alarmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.3 Escalonador de tarefas de tempo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.4 Ficheiros de registo de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.5 Módulo Sigfox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.6 Interface com utilizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.7 Modo de poupança de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.8 Fonte de alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5 Resultados 535.1 Teste da deteção de ocorrência de alarmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.1.1 Procedimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.1.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.2 Teste da interface com o utilizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.2.1 Procedimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.2.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.3 Teste de cobertura Sigfox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.3.1 Procedimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.3.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.4 Teste de consumo de energia do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.4.1 Método . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.4.2 Interpretação de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6 Conclusão 616.1 Trabalho Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

A Diagramas 63A.1 Diagrama de classes UML da solução de software . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

B Material 65B.1 Lista material e tabela de preços . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Referências 67

Lista de Figuras

2.1 Arquitetura típica de um sistema de monitorização . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Interação entre os diferentes parâmetros indicadores da qualidade da água [1] . . 62.3 Gamas de pH suportadas por diferentes espécies [2] . . . . . . . . . . . . . . . . 72.4 NexSens CB-450. Três painéis fotovoltaicos de 10W 12VDC . . . . . . . . . . . 92.5 Módulos de recolha de dados da NexSens X2-Series . . . . . . . . . . . . . . . 102.6 Módulo de recolha de dados NexSens iSIC V2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.7 Produtos da Libelium: o circuito controlador (a) presente no interior do sistema

Waspmote Plug & Sense (b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.8 Estrutura de um sensor de pH com membrana de vidro . . . . . . . . . . . . . . 162.9 Exemplos de elétrodos de pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.10 Diagrama de diferentes tipos de sensores para medição de oxigénio dissolvido . . 182.11 YSI EXO2 Multiparameter Sonde [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.12 Curvas de caraterística I-V (a vermelho) e de potência (a azul) de um painel foto-

voltaico [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.13 Estruturas de turbinas hidroelétricas de eixos: (a) horizontal e (b) vertical [5] . . 232.14 Cobertura da rede Sigfox. Azul áreas com serviço ativo e violeta áreas em imple-

mentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.15 Arquitetura da rede Sigfox [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.16 Pilha protocolar da rede Sigfox [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.17 Trama de comunicação uplink e downlink da rede Sigfox [7] . . . . . . . . . . . 27

3.1 Diagrama da arquitetura do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.2 ADS1115 diagram de blocos de funções [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.3 Módulo Sigfox SFM10R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.4 Máquina de estados do módulo Sigfox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.5 Arquitetura da fonte de alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.6 Arquitetura de software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1 Arquitetura de hardware do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.2 Padrão da messagem de alarme do módulo de monitorização . . . . . . . . . . . 464.3 Curvas caraterísticas de um painel solar fotovoltaico [9] . . . . . . . . . . . . . . 494.4 2A Solar Panel Power Manager With 7.2V LiFePO 4 Battery and 17V Peak Power

Tracking [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.5 Circuito conversor DC-DC Step Down . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.1 Mensagem recebida no servido Sigfox referente ao teste dos alarmes . . . . . . . 555.2 Terminal da aplicação móvil Serial Bluetooth Terminal . . . . . . . . . . . . . . 555.3 SNR das menssagens de teste da rede Sigfox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.4 RSSI das menssagens de teste da rede Sigfox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

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xii LISTA DE FIGURAS

A.1 Diagram de classes UML da solução de software . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Lista de Tabelas

2.1 Especificações NexSens X2 [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2 Especificações NexSens iSIC V2 [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3 Especificações Waspmote [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4 Especificações de diferentes sensores de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . 152.5 Especificações de diferentes sensores de oxigénio dissolvido . . . . . . . . . . . 192.6 Especificações de diferentes sensores de condutividade da água . . . . . . . . . . 202.7 Características de diferentes tipos de baterias [14] [15] . . . . . . . . . . . . . . 232.8 Características de diferentes tipos de supercondensadores [14] [15] . . . . . . . . 24

3.1 Lista de requisitos do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2 Consumos de corrente dos principais componente de hardware do sistema [16] [17] [8] 35

4.1 Consumo de energia do sistema - Estimativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.1 Consumos de corrente reais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.2 Consumo de energia do sistema - Aproximação real . . . . . . . . . . . . . . . . 59

B.1 Lista de material utilizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

xiii

xiv LISTA DE TABELAS

Abreviaturas e Símbolos

CPU Central Processing UnitDO Dissolved OxygenGPIO General Purpose Input/OutputGPS Global Positioning SystemISE Ion Selective ElectrodeISFET Ion-Sensitive Field-Effect TransistorLPWAN Low-Power Wide-Area NetworkMPPT Maximum Power Point TrackingNTC Negative Temperature CoefficientORP Oxidation Reduction PortencialOPTDO OPTical Dissolved OxygenRTD Resistenc Temperature DetectorSI Sistema InternacionalUML Unified Modeling LanguageYSI Yellow Springs Instrument

xv

Capítulo 1

Introdução

1.1 Enquadramento

Desde os primórdios da história que as atividades inerentes à evolução do ser humano mol-

daram, inevitavelmente, o desenvolvimento e o ciclo de vida do planeta Terra. Embora a proble-

mática da poluição seja um tema relativamente recente, a sua origem remonta há muitos séculos

atrás. Com o aparecimento das primeiras civilizações e com o crescimento do número de indi-

víduos que partilhavam o mesmo espaço, a gestão dos resíduos sempre se revelou uma questão

importante e complexa, dado que as consequências no quotidiano das pessoas não eram, até ao

momento, conhecidas. Apesar da poluição ambiental poder ser proveniente de efeitos naturais,

como a atividade vulcânica e os fogos florestais, esta está normalmente associada como resultado

da intervenção antropológica no meio ambiente.

No início do século XIX, a revolução industrial representou um marco de progresso da huma-

nidade com uma relevância indiscutível. Contudo, esta deu origem também, a uma contaminação

sem precedentes dos recursos hídricos do planeta provocada principalmente pela libertação de po-

luentes químicos, provenientes da produção industrial, diretamente nos rios e lagos. Desde então,

a poluição da água tornou-se um problema que afeta toda a população mundial e a mesma terá

de assumir a responsabilidade da sua resolução. Com a tomada de consciência social e política,

por parte dos cidadãos e dos diferentes estados, temos assistido no último século a uma mudança

de paradigma e de perceção da necessidade de uma atuação urgente e eficaz de forma a conseguir

travar o impacto que estas alterações terão nas próximas gerações e no futuro do nosso planeta.

Tendo em conta o conhecimento científico e o desenvolvimento tecnológico alcançado até

ao momento, os resultados, embora apresentem uma evolução crescente significativa nos últimos

anos, estão ainda longe dos objetivos que o problema exige. Segundo um relatório das Nações

Unidas de 2017 [18], estima-se que, mundialmente, 80% das águas residuais são despejadas no

meio ambiente sem qualquer tipo de tratamento. Devido à falta de infraestruturas, capacidades

técnicas e financeiras, a maior parte destas descargas é proveniente de países subdesenvolvidos ou

em vias de desenvolvimento. Nos países com um elevado desenvolvimento económico e social

observa-se uma motivação particular para a implementação e inovação em técnicas de tratamento

1

2 Introdução

deste tipo de resíduos seja pela necessidade de preservar a qualidade do ambiente, para garantir

a subsistência de atividades relacionadas ou para salvaguardar o bem-estar das populações. A

despoluição de rios é uma prática que tem sido realizada em várias grandes cidades do mundo

inteiro, para as quais os rios representam um valor socioeconómico considerável. A combinação

de diferentes tecnologias, técnicas e processos químicos, bem como o recurso a microrganismos e

plantas que permitam neutralizar os agentes poluentes, contribuem para o sucesso destas ações. No

entanto, estas poderão ter resultados limitados caso os focos de impurezas não forem erradicados

por completo.

1.2 Motivação

A introdução de substâncias externas no meio ambiente pode apresentar consequências catas-

tróficas para os ecossistemas, podendo provocar a sua alteração de forma irreversível ou mesmo a

sua destruição. Sejam estas substâncias produtos sintetizados ou com origem natural, a sua pre-

sença nos cursos de água em concentrações excessivas, quando comparadas com os níveis que

são considerados aceitáveis em determinada área, representam um problema de poluição. Esta

contaminação é, por vezes, efetuada de forma gradual permitindo a sucessiva alteração dos ecos-

sistemas, resultado da adaptação dos mesmos à variação do ambiente do qual fazem parte, o que

se traduz numa dificuldade de deteção atempada.

Como forte consumidor de elevadas quantidades de água nas suas atividades e um dos princi-

pais agentes causadores de desperdício deste tipo de recurso, a indústria assume um compromisso

extraordinário neste contexto. Assumindo que os resíduos, após o tratamento adequado, serão

posteriormente devolvidos à sua origem, os padrões em que as descargas se efetuam e as sanções

a aplicar em caso de infração estão sujeitas a uma legislação rigorosa. No entanto, a complexidade

de identificar a origem da contaminação e a falta de uma fiscalização intensiva, aliadas ao elevado

esforço financeiro que as empresas precisam de disponibilizar para a implementação e manutenção

de estações de tratamento de águas residuais, levam por vezes as organizações a considerar que é

economicamente mais viável o pagamento de coimas por incumprimento do que o investimento

de forma a atingir os parâmetros da regulamentação.

É com esta problemática como base que surge o conceito deste trabalho. Com o objetivo de

detetar alterações de parâmetros indicadores da qualidade da água de forma prematura e, cujo

os mesmos, poderão revelar um comportamento anormal e intrusivo nos recursos hídricos, este

trabalho concentra-se no desenvolvimento e implementação de um sistema autónomo de recolha

de dados, posterior análise e consequente alerta, em caso de irregularidade. Com o auxílio deste

equipamento, será possível efetuar uma monitorização constante e automatizada da rede de recur-

sos hídricos de uma determinada região, permitindo uma atuação rápida em caso de necessidade.

Isto contribuí para o aumento da eficácia de uma operação com vista a reverter uma situação de

contaminação e, deste modo, representa uma diminuição significativa dos custos implicados com a

mesma. De forma complementar, a utilização de uma rede de mecanismos de supervisão a operar

em simultâneo, favorece a identificação da origem das perturbações possibilitando fundamentar a

1.3 Objetivos 3

atribuição de responsabilidade aos seus autores, contribuindo para a sustentabilidade económica

das atividades e instituições encarregues da preservação dos recursos hídricos.

1.3 Objetivos

Este trabalho visa o desenvolvimento de um sistema autónomo de monitorização da qualidade

da água com caraterísticas que concedam a este um carácter inovador em relação às soluções já

existentes.

A premissa deste trabalho é desenvolver um equipamento que deverá ser implementado nas

margens dos recursos hídricos. Este deve realizar a leitura periódica, contínua e automática dos

diferentes parâmetros a monitorizar, analisar os dados, detetar possíveis anomalias nos valores

recolhidos e comunicar a ocorrência dessas a um servidor externo. Paralelamente, o sistema deve

manter um registo em memória de todas as leituras realizadas para que essas possam ser descarre-

gadas pelo utilizador posteriormente e no local de implementação.

• Monitorização — Pretende-se que o sistema seja capaz de realizar uma monitorização

constante de diferentes parâmetros indicadores da qualidade da água. Este destina-se à

utilização em recursos hídricos de água doce, em particular lagos, rios e seus afluentes.

• Autonomia — O sistema deve apresentar um consumo energético reduzido paralelamente a

uma solução de Energy Harvesting para recolha de energia do meio envolvente, garantindo

assim uma elevada autonomia energética.

• Comunicação — Este sistema deve permitir a troca de mensagens com um servidor possi-

bilitando a interação com aplicações de supervisão externas.

• Flexivilidade — Focada na monitorização dos recursos hídricos, a solução deve poder ser

adaptada de acordo com os critérios de análise da qualidade adequados a cada situação.

• Custo — Pretende-se desenvolver um sistema economicamente viável, permitindo o desta-

que deste em relação às soluções disponibilizadas por empresas já estabelecidas no mercado.

1.4 Estrutura da Dissertação

Este documento está organizado em seis capítulos, contabilizando a presente introdução.

O capítulo 2, Estado da Arte, é dedicado ao estudo dos temas envolvidos no contexto deste

trabalho e à análise de soluções semelhantes já existentes no mercado.

Segue-se a apresentação da solução proposta, no capítulo 3. Aqui é feita uma exposição dos

requisitos deste trabalho e uma descrição da arquitetura do sistema.

Na Implementação, presente no capítulo 4, é explicado com detalhe como a solução final foi

concebida.

Os resultados obtidos a partir de testes realizados estão presentes no capítulo 5.

4 Introdução

Por último, no capítulo 6, a título de conclusão, é discutida a aplicação prática da solução

alcançada, bem como, o trabalho que deverá ser desenvolvido futuramente.

Capítulo 2

Estado da Arte

Neste capítulo são apresentadas e analisadas as diversas soluções tecnológicas já existentes

no mercado que permitem, em parte ou no todo, responder às particularidades exigidas por um

sistema de monitorização da qualidade da água.

Previamente, com o intuito de entender os desafios envolvidos, são apresentadas as diferentes

técnicas e métodos utilizados na análise da qualidade da água.

Ao mais elevado nível de abstração da arquitetura, como apresentado na figura 2.1, podemos

dividir o sistema em quatro grandes pilares: o conjunto dos sensores que disponibilizam em tempo

real os dados referentes aos parâmetros de qualidade da água; a plataforma central responsável

por todas as tarefas de recolha, tratamento, análise e gestão da informação envolvida; a fonte de

alimentação para o fornecimento contínuo de energia; e a plataforma de comunicação que concede

ao modelo a possibilidade de troca de mensagens com um servidor externo para interface com o

utilizador.

Figura 2.1: Arquitetura típica de um sistema de monitorização

2.1 Análise da Qualidade da Água

Nesta secção é realizado um estudo dos indicadores, físicos e químicos, que devem ser monito-

rizados para uma análise adequada da qualidade da água. Esta avaliação é realizada de acordo com

5

6 Estado da Arte

o propósito em causa, isto é, dependendo se a água se destina, por exemplo, ao consumo humano

ou ao uso industrial, as referências de concentração de certas substâncias e a gama de valores dos

diferentes parâmetros são adaptadas consoante a situação. Também a localização geográfica do

ambiente a monitorizar afeta diretamente os ensaios.

De forma a detetar casos de contaminação, a deteção de irregularidades é efetuada sempre por

comparação dos dados recolhidos com os padrões considerados aceitáveis em determinada área, o

que pressupõe o conhecimento destes à partida.

Uma vez que este sistema se destina à monitorização da poluição da água nos recursos hídri-

cos, os parâmetros que serão medidos pretendem verificar as condições necessárias para manter

o equilíbrio dos ecossistemas presentes. A informação seguinte pretende descrever como cada

parâmetro específico permite assegurar essa estabilidade e como os mesmos são afetados. São

inúmeros os parâmetros que podem ser utilizados nesta análise, contudo este estudo foca-se nos

quatro mais importantes:

• Temperatura

• pH

• Oxigénio Dissolvido

• Condutividade

2.1.1 Temperatura

A temperatura é uma das propriedades fundamentais da água, com respeito à análise da sua

qualidade, pois esta afeta a maioria dos outros parâmetros. A relação entre os vários parâmetros

da água e a temperatura pode ser observada na figura 2.2.

Figura 2.2: Interação entre os diferentes parâmetros indicadores da qualidade da água [1]

A oscilação da temperatura têm origem em diversos fatores, nomeadamente, as condições cli-

matéricas, as mudanças de estação do ano, as infiltrações dos lençóis freáticos ou a profundidade

2.1 Análise da Qualidade da Água 7

e largura das massas de água. Existem também outras causas, derivadas do impacto das ativi-

dades do ser humano, como as descargas de águas residuais provenientes de zonas industriais e

urbanas, o crescimento de centros populacionais alterando o curso de escoamento das águas plu-

viais, a construção de barragens ou a desflorestação junto das margens alterando de forma brusca

a incidência direta de raios solares.

Estas variações perturbam a biodiversidade das espécies e dos organismos presentes no ambi-

ente aquático propiciando uma alteração dos comportamentos dos ecossistemas. A principal razão

desta ocorrência esta relacionada com outro fator, o volume de oxigénio dissolvido, influenciado,

mutuamente, pela fotossíntese das plantas aquáticas e as taxas de metabolismo dos organismos.

Para garantir a precisão na medida dos outros parâmetros, que dependem diretamente da tem-

peratura da água, é estritamente necessária a sua monitorização.

2.1.2 pH

A medida do pH permite determinar se uma solução aquosa é ácida ou alcalina com base

na medida da concentração de iões de hidrogénio. Como pode ser observado na figura 2.3, as

águas fluviais apresentam, geralmente, um pH neutro com valores compreendidos entre 6.0 e 8.0.

Pequenas variações fora desta gama poderão afetar os processos biológicos e, caso estas sejam

extremas, poderão por em causa a sobrevivência dos ecossistemas.

Os diferentes tipos de minerais do solo em contacto com a água têm impacto no pH da mesma,

por exemplo, cursos de água provenientes da drenagem de florestas ou pântanos, devido ao con-

tacto com a matéria orgânica presente nestes ambientes, apresentam um baixo pH, podendo pro-

vocar a dissolução de alguns minerais e podendo libertar metais pesados e substâncias químicas.

Figura 2.3: Gamas de pH suportadas por diferentes espécies [2]

8 Estado da Arte

O termo pH expressa o potencial de hidrogénio, um acrónimo com origem do latim potentia

hydrogenii, e está caraterizado numa escala logarítmica entre 0 e 14 sendo esta representativa da

concentração de iões de hidrogénio (em mol/L) numa determinada solução.

pH =− log [H+] (mol/L) (2.1)

Quanto mais ácida uma solução, maior a facilidade de libertar um protão H+ refletindo-se

numa maior concentração de catiões de hidrogénio e, assim, menor o seu valor de pH. Quanto

mais alcalina uma solução, maior o seu valor de pH o que se traduz em uma maior concentração

de OH− (ião hidróxido) e na facilidade em receber um ião H+. Sendo o pH expresso numa escala

logarítmica, o aumento ou diminuição de uma unidade representa uma diferença na concentração

de iões de hidrogénio (H+) de dez vezes menor ou maior, respetivamente.

2.1.3 Oxigénio Dissolvido (DO)

A quantidade de Oxigénio Dissolvido (DO, do inglês Dissolved Oxygen) é uma medida relativa

que expressa a quantidade de oxigénio molecular dissolvido num volume de água.

A poluição, proveniente por exemplo de descargas de resíduos ricos em matéria orgânica,

interfere na capacidade de dissolução da água influenciando as condições de sobrevivência no

habitat de diversos seres vivos. As plantas, algas e microrganismos presentes nos cursos de água,

através da fotossíntese, desempenham um papel crucial na regulação da saturação de oxigénio.

Deste modo, a monitorização do oxigénio dissolvido, para além de contribuir na classificação da

qualidade da água, poderá ser também um indicador de perturbações nos ecossistemas.

A quantidade de oxigénio dissolvido é normalmente expressa em miligramas por litro (mg/L)

ou como percentagem da saturação do ar. Em alguns casos poderá também ser expressa em partes

por milhão (ppm) ou micromoles (µmole), esta última bastante usada no contexto dos oceanos.

1 mg/L = 1 ppm

100 µmol = 2.2 mg/L(2.2)

2.1.4 Condutividade

A condutividade é uma medida da capacidade de uma determinada solução conduzir uma

corrente elétrica. Quando as partículas se dissolvem nos rios dividem-se em cargas positivas e

negativas, iões, que alteram a condutividade da água. Esta característica permite detetar e concluir

sobre as concentrações de certos contaminantes e pode, portanto, ser usada como um indicador

da qualidade da água. Um aumento ou uma diminuição repentina na condutividade de um re-

curso hídrico pode representar a existência de uma fonte de poluição, como descargas industriais,

domésticas ou de atividades agrícolas.

2.2 Sistemas Automáticos de Monitorização 9

A condutividade é o inverso da resistividade e a unidade SI é o siemens (S). No entanto, esta é

usualmente expressa em microsiemens, milisiemens ou, uma vez que este valor está diretamente

relacionado com o Total de Sólidos Dissolvidos, em partes por milhão (ppm).

2.2 Sistemas Automáticos de Monitorização

As soluções comerciais existentes no mercado especializadas no controlo da qualidade da

água são bastante diversificadas. Desde instrumentos portáteis a soluções industriais, a extensa

gama de produtos permite preencher as diferentes necessidades de acordo com os objetivos e o

ambiente de aplicação. Contudo, quando nos focamos em soluções com caraterísticas análogas

ao trabalho em questão, nomeadamente a monitorização contínua, autónoma e em tempo real,

a oferta é mais limitada. De seguida são apresentadas três soluções com caraterísticas distintas,

cada uma adequada a diferentes ambientes de ação. Uma particularidade comum a todas elas, no

entanto diferentes entre si, é o elevado preço das solução completas propostas.

2.2.1 NexSens Tecnology

A NexSens Tecnology, Inc. [19] é uma empresa norte americana que desenvolve sistemas de

monitorização ambiental especializada em telemetria aquática. A empresa dispõe de um conjunto

de equipamentos diversificados que permitem uma configuração de acordo com o ambiente de

estudo. Dos segmentos de produtos disponíveis no catálogo, são de destacar dois principais que

se enquadram no projeto em causa, as boias aquáticas e os módulos de recolha de dados.

O conjunto de boias NexSens CB-Series, fabricadas em espuma de polietileno reticulado com

revestimento de poliureia e estrutura em aço inoxidável, permitem oferecer uma solução ideal para

a plataforma física do sistema quando é necessária uma monitorização distanciada da margem.

Para sistemas mais complexos, que exigem maior potência elétrica, as boias de maiores dimen-

sões estão integradas com um conjunto de painéis fotovoltaicos que permitem o carregamento de

baterias, tal como apresentado na figura 2.4. Estas podem ser acomodadas num compartimento

existente no interior, bem como, os módulos de recolha de dados e sensores. [20] [21]

Figura 2.4: NexSens CB-450. Três painéis fotovoltaicos de 10W 12VDC

10 Estado da Arte

Na análise aos módulos de recolha de dados o destaque da oferta desta empresa foca-se em

dois principais produtos: NexSens X2-Series e NexSens iSIC V2.

(a) NexSens X2 [22] (b) NexSens X2-CB [23]

Figura 2.5: Módulos de recolha de dados da NexSens X2-Series

Na figura 2.5 podemos observar uma solução plug-and-play de monitorização de parâmetros

da água. Ambas as soluções apresentam especificações ao nível do hardware muito semelhantes,

no entanto o módulo da figura 2.5b foi especialmente desenhado para integração com as boias

apresentadas anteriormente. A interface de comunicações é compatível com os principais proto-

colos usados em sensores ambientais, nomeadamente SDI-12, RS-232 e RS-485. Disponibilizam

também a possibilidade de comunicação por Wi-Fi, comunicação móvel, radio e satélite. Com

componentes de gestão avançada de energia, com recurso a sleep mode e com a possibilidade de

conectar um painel fotovoltaico é possível garantir a este módulo uma elevada autonomia energé-

tica. Os modelos apresentam um custo entre $1250 e $2495 no caso do NexSens X2 e entre $2495

e $2995 para o NexSens X2-CB, dependendo da tecnologia de comunicação escolhida.

Na tabela 2.1 são apresentadas as especificações mais relevantes presentes na datasheet do

NexSens X2 [11].

Power Requirements 5-24 VDC ±15%

Typical Current Draw(@12VDC)

Low power sleep: 200µA;

Active: 20mA;

Wi-Fi transmitting: 43mA max;

Cellular transmitting: 200mA;

Peak Current Power supply must be able to sustain a 500mA 1-second

peak current (@ 12V);

Data Processing Parameter level polynomial equation adjustment; Basic

and burst averaging (min, max, standard deviation, and raw

data available);

Sensors Interface SDI-12, RS-232 (3 channels), RS-485;

Sensor Power (3) 12V regulated switch channels with 1.5A capacity;


Built-in Sensors Temperature (-40 to 85C, 0.002C resolution, ±2C ac-

curacy); Pressure (300 to 1100mbar, 0.016mbar resolution,

±2mbar accuracy); Humidity (0-100%, 0.04% resolution,

±5% accuracy); Battery voltage;

Sensor Ports (3) 8-Pin for sensor interface (RS-232, RS-485, SDI-12,

5V, 12V, GND)

Power Port (1) 6-Pin for power and communication (Primary / Secon-

dary / Backup Input, RS-485 Host, GND)

Telemetry Options Cellular, Iridium Satellite, Radio, Radio to Cellular

Tabela 2.1: Especificações NexSens X2 [11]

O iSIC V2, presente na figura 2.6, cujo as principais especificações constam na tabela 2.2, é

um produto que pretende corresponder a todas as necessidades relacionadas com a monitorização

ambiental. Com suporte para 8 entradas analógicas e 4 digitais em simultâneo, a interface com

sensores é a principal vantagem deste sistema, uma vez que permite a ligação de vários tipos de

sensores ambientais. O preço deste equipamento situa-se entre os $1000 e os $2000.

Figura 2.6: Módulo de recolha de dados NexSens iSIC V2

Ports (1) UW8 for sensor connection;

(1) UW6 for RS-485 host connection and external power;

(2) PG-11 passthrough port for custom wiring;

(2) 16 position pluggable terminal blocks for sensor, host,

and power wiring;

(1) DB9 RS-232 host connection;

(1) RJ45 100BASE-T Ethernet;

(8) 16-bit single-ended or (4) differential; ±1.25V or 0-

2.5V selectable;

12 Estado da Arte

Analog Outputs (1) 16-bit DAC 0-2.5V;

(1) Optional second DAC output;

Digital I/O Ports (1) Tipping bucket input, max rate: 10 Hz

(2) Standard generic I/O ports 0-3.3V, 5V tolerance;

Sensor Interface (1) RS-485 (half duplex); (1) SDI-12; (3) RS-232;

Sensor Power (1) Switched 12VDC 1.2A;

(1) 2A Pass through full time power;

(1) 5VDC 200mA;

Sensor Protocols Modbus RTU; NMEA 0183; SDI-12; GSI (via custom

script)

Built-In Sensors Temperature (-40 to 85C, 0.01C resolution, ±2C ac-

curacy from -20 to 85C); Pressure (300 to 1100mbar,

0.016mbar resolution, ±4mbar accuracy); Humidity (0-

100%, 0.04% resolution, ±5% accuracy from 5 to 95%

RH); Battery voltage; Current draw;

External Power 5-16 VDC ±5% (Overcurrent and Reverse polarity protec-

tion);

Typical Current Draw(@12V)

Sleep: 760µA;

Active: 43mA;

Analog Active: 85mA;

Cellular transmitting: 300mA;

Wireless Communication Verizon or AT&T Cellular Telemetry

Tabela 2.2: Especificações NexSens iSIC V2 [12]

A NexSens Tecnology, Inc. também disponibiliza servidores Web que permitem a interligação

entre os diferentes dispositivos e sistemas de monitorização, contando ainda com um ambiente

gráfico muito intuitivo para diferentes plataformas, o WQData LIVE [24].

2.2.2 Libelium

A Libelium [25] é uma empresa de referência que fornece uma extensa gama de produtos para

aplicação no domínio da Internet of Things, contribuindo para a inclusão de sistemas inteligentes

no nosso dia-a-dia. O Waspmote Plug & Sense 2.7b surge com o objetivo de oferecer uma solução

inteligente, completa e versátil e que ao mesmo tempo seja de fácil implementação e pronta a usar,

eliminando assim a preocupação do utilizador com as questões de eletrónica focando-se este no

desenvolvimento de aplicações de redes de sensores sem fios.

Existem versões do sistema direcionados para as mais diversas áreas, como as cidades inteli-

gentes, monitorização ambiental ou agricultura inteligente.


(a) (b)

Figura 2.7: Produtos da Libelium: o circuito controlador (a) presente no interior do sistemaWaspmote Plug & Sense (b)

A plataforma de desenvolvimento Waspmote, representada na figura 2.7a, é desenvolvida com

base no micro controlador ATmega1281 (ver especificações na tabela 2.3). Esta encontra-se no

interior de uma caixa de proteção IP65 com um conjunto de conetores que servem de interface para

os diversos sensores disponíveis, antena e dispositivos de recolha de energia. O baixo consumo

energético em conjunto com os módulos de energy harvesting viabilizam a operação deste sistema

com elevada autonomia. Recorrendo ao modo de hibernação disponível é possível a operação

deste sistema durante um ano sem necessidade de recarga [13].

Microcontrolador ATmega1281;Entradas e Saídas 7 entradas analógicas, 8 entradas e saídas

digitais, 2 UARTs, 1 I2C, 1 SPI, 1 USB;Consumo On: 17mA;

Sleep: 30µA;Deep Sleep: 33µA;Hibernate: 7µA;

Comunicação XBee; WiFi; 4G; Sigfox; LoRaWAN;Caraterísticas Elétricas Bateria: 3.3-4.2V

Carregamento USB: 5V - 100mA;Painel Solar: 6-12V - 300mA;

Tabela 2.3: Especificações Waspmote [13]

Atualmente, existem empresas que fornecem soluções de monitorização aquática implemen-

tadas com base nestes dispositivos, como são o caso da Eagle.io [26], a DeviceLynk [27] e a Smart

Data System [28]. Os preços destes sistemas centram-se entre os 5000e e os 10.000e para siste-

mas mais complexos.

14 Estado da Arte

2.3 Sensores

Nesta secção, dedicada ao estudo dos sensores, é feita uma análise detalhada com o objetivo

de especificar os princípios físicos e químicos que permitem a medição de certos parâmetros am-

bientais, as diferentes tecnologias de interface entre os sensores e a unidade de recolha de dados e

a apresentação de soluções práticas já existentes no mercado que permitam satisfazer as necessi-

dades envolvidas neste âmbito.

2.3.1 Temperatura

Existem variadas tecnologias para medir temperatura com diferentes vantagens e desvantagens

de acordo com a aplicação em questão. Na escolha do sensor adequado, as principais caracterís-

ticas que devem ser tidas em conta são a precisão, a gama de medição, a estabilidade e o tempo

de resposta. Assim, tendo em vista a determinação da temperatura de águas fluviais, existem dois

tipos de sensores que se adequam a este contexto: o termístor NTC e o RTD (do inglês Resistence

Temperature Detector). Em ambos os casos o princípio de funcionamento é semelhante, uma va-

riação na temperatura provoca uma alteração na resistência elétrica do material de que o sensor

é composto, um semicondutor no caso do termístor ou um filamento de um metal condutor de

elevada pureza no caso do RTD.

A variação da resistência com a temperatura no termistor NTC é da ordem das dezenas de ohms

por grau centígrado, muito superior às pequenas variações no caso do RDT. Esta caraterística

reflete-se num tempo de resposta e sensibilidade muito superiores no caso do NTC. Ambos os

sensores apresentam elevada precisão, entre 0.05 e 1.5C para o termistor NTC e entre 0.1 e 1C

no caso do RTD. No entanto, a gama de medida do RTC é de -200 a 650C, muito superior à do

termistor, que se situa entre -100 e os 325C. A elevada precisão numa extensa gama de medida

justifica o elevado custo do sensor RTD quando comparado com o NTC.

O termistor NTC apresenta elevada resistência a baixas temperaturas. Devido à natureza ex-

ponencial da variação da resistência com a temperatura, o sinal proveniente do sensor NTC exige

linearização. O mesmo não acontece no RDT, uma vez que a sua caraterística é linear.

A relação entre a temperatura e a resistência do termistor é dada pela equação Steinhart-

Hart 2.3.

1T

= A+B ln(R)+C(

ln(R))3 (2.3)

T – Temperatura (K);

R – Resistência do termistor (Ω);

A, B e C – Coeficientes dependentes do tipo e modelo do termistor;

Em geral, os coefientes da equação de Steinhart-Hart não são disponibilizados na datasheet

dos sensores. Por essa razão, em sistemas de engenharia é comum o uso da função:

1T

=1T0

+1β

ln( R

R0

)(2.4)

2.3 Sensores 15

T – Temperatura (K);

T0 – Temperatura nominal (normalmente 25 C);

β – Coeficiente presente na folha de caraterísticas do sensor;

R – Resistência do termistor (Ω);

R0 – Resistência do termistor à temperatura nominal;

Na tabela 2.4 são apresentadas as caraterísticas de vários tipos de sensores. Todos os sensores

descritos estão disponíveis com nível de proteção IP68, um requisito para a aplicação em ambiente

aquático.

Sensor Fabricante Interface Gama de medida Ref.NTC Type JI/JIC Amphenol Advanced

SensorsAnalógica −50C to +105C [29]

DS18B20 Maxim Integrated Digital (1-wire) −55C to +125C [30]NTC TT-0 Series TEWA Analógica −50C to +105C [31]

Tabela 2.4: Especificações de diferentes sensores de temperatura

2.3.2 pH

A medição do pH da água é realizada com recurso a elétrodos através do princípio da diferença

de potencial elétrico entre uma solução de referência e a solução cujo o valor de pH é objeto de

estudo.

As pontas de prova mais comuns são os elétrodos seletivos de iões composto de uma mem-

brana de vidro sensível aos iões de hidrogénio. A diferença de cargas elétricas entre as duas

amostras produz, à saída do sensor, uma tensão porporcional ao valor de pH. Este pode ser cal-

culado com base na equação de Nernst 2.5 que estabelece uma relação entre a tensão medida e a

atividade iónica da solução.

E = E0 +RTF

ln(aH+

)= E0 +2.303

RTF

log(aH+

)= E0 −2.303

RTF

pH

(2.5)

E – Tensão medida entre a membrana e o elétrodo de referência;

E0 – Potencial padrão do elétrodo de referência;

R – Constante universal dos gases ideais (R = 8.314 Jmol−1K−1);

T – Temperatura em graus Kelvin;

F – Constante Faraday (F = 96485 Cmol−1);

aH+ – Atividade de iões de hidrogénio;

16 Estado da Arte

A atividade iónica é uma função linear da concentração de iões de hidrogénio (H+), no entanto

com o aumento da diluição da solução o coeficiente entre os dois valores aproxima-se de 1. Assim,

para soluções de elevada diluição, como temos no caso concreto do âmbito de estudo deste projeto,

podemos considerar que estes dois valores são iguais.

Uma vez que a equação de Nernst é dependente da temperatura da solução, a medição desta

com elevada precisão é um requisito imprescindível para exatidão da medida do valor de pH e

algumas soluções comerciais existentes já disponibilizam um sensor de temperatura integrado na

ponta de prova.

Na figura 2.8 podemos observar a estrutura física de um sensor de pH com os seus diferentes

componentes, tais como, o elétrodo de referência e a membrana em contacto com a solução. Esta

última pode apresentar diferentes formatos de acordo com o propósito a que se destina.

Figura 2.8: Estrutura de um sensor de pH com membrana de vidro

No caso das industrias onde não é viável o uso de sensores de vidro são utilizados sensores

de pH com recurso a ISFETs (ou transístores de efeito de campo sensíveis a iões). Neste caso,

uma camada sensível aos iões de hidrogénio atua como a porta do transístor, formando assim, uma

corrente entre a fonte e o dreno proporcional à concentração de iões na solução.

Os elétrodos para medição de pH são componentes ativos, isto é, funcionam como uma fonte

de tensão, as diferenças de tensão observadas são da ordem dos milivolts. Uma caraterística intrin-

seca dos sensores de pH é a elevada impedância de saída, isto implica a utilização de um circuito

de elevada impedância que atua como interface entre a ponta de prova e o conversor analógico-

digital que permitirá a leitura do valor de pH por um controlador. No caso dos sensores digitais,

este circuito de condicionamento já se encontra incorporado na ponta de prova.

2.3 Sensores 17

(a) YSI TruLine pH 15 [32](b) Atlas Scientific Industrial pHProbe [33]

(c) AQUALABO pH digital sen-sor [34] (d) DFRobot pH Probe [35]

Figura 2.9: Exemplos de elétrodos de pH

Na figura 2.9 são apresentados exemplos de elétrodos de pH disponíveis no mercado. Estes

diferenciam-se em vários aspectos, nomeadamente em preço, precisão e interface.

Algumas empresas desenvolvem sensores de forma a serem usados especificamente por deter-

minadas plataformas, também elas desenvolvidas pelas próprias empresas, é o caso apresentado

em 2.9a. Este é um sensor digital com compensação de temperatura integrado que permite a lei-

tura de pH em todo o espetro e pode ser utilizado em soluções com temperaturas compreendidas

entre −5 C e 100 C. O preço deste elétrodo situa-se na ordem dos 180e.

Na escala de preços do produto anterior, temos a ponta de prova desenvolvida pela Atlas Sci-

entific 2.9b. Este é um sensor de pH analógico de membrana de vidro com um termistor de coe-

ficiente positivo de temperatura PT-1000 integrado. Apresenta uma resolução de 0.001 e precisão

de ±0.002 em toda a escala, com tempo de resposta de 1 segundo. Uma vez que se trata de um

sensor analógico, é necessária a utilização de um circuito de interface com o controlador a utili-

zar. Na loja online da empresa são disponibilizados diversos produtos para a simples aplicação

deste sensor, de realçar o circuito de condicionamento de sinal desenhado especificamente para

este sensor e circuito de isolamento para eliminação de ruído, entre outros.

Na figura 2.9c temos um produto industrial de gama superior, o que se reflecte também no seu

preço, aproximadamente 800e. Este é um sensor digital que possibilita a utilização dos protoco-

18 Estado da Arte

los de comunicação industriais mais comuns, Modbus RS-485 e SDI-12, podendo ser integrado

facilmente na maioria dos sistemas industriais atuais. A outra grande vantagem da utilização deste

tipo de sensor é a de adquirir, paralelamente ao valor de pH, valores de temperatura e de ORP (do

inglês oxidation reduction potencial). Este último expressa a facilidade de uma determinada solu-

ção receber ou perder eletrões. O tempo de resposta é inferior a 5 segundos com uma resolução

de 0.01 e precisão de ±0.1 entre valores de 0 a 14. O consumo energético é da ordem dos 10mA,

havendo a possibilidade de redução deste para 25µA em standby.

Por último, temos um exemplo de uma solução no mercado de produtos de baixa gama. O

elétrodo presente em 2.9d têm um custo de aproximadamente 30e. Tem como desvantagem o

elevado tempo de estabilização, cerca de 60 segundos, e como se trata de um dispositivo analó-

gico, requer um circuito de condicionamento de sinal perfeitamente dimensionado para a correta

aquisição dos dados. A precisão e resolução estão dependentes das especificações do circuito de

conversão utilizado.

2.3.3 Oxigénio Dissolvido

De forma a poder retirar conclusões sobre qualidade da água dos rios é necessário conhecer

a quantidade de oxigénio molecular (O2) que se encontra dissolvido na mesma. As principais

tecnologias utilizadas neste contexto são os sensores eletroquímicos e os sensores óticos.

Os sensores baseados em propriedades eletroquímicas consistem em dois elétrodos, um ânodo

e cátodo, imersos num eletrólito. Ambos encontram-se separados por uma membrana permeável

ao oxigénio da água ou da solução aquosa. O oxigénio presente na amostra a ser medida atravessa

a membrana e, em contacto com o cátodo de prata, ocorre a redução do oxigénio molecular pro-

duzindo uma corrente elétrica entre o cátodo e o ânodo. A intensidade dessa corrente é depois

traduzida no valor da concentração de moléculas de oxigénio na água. O esquema de funciona-

mento pode ser visualizado na figura 2.10a.

Estes sensores podem utilizar dois tipos de elétrodos: elétrodo galvânico e elétrodo polarográ-

fico, cuja a principal diferença entre os dois é a necessidade de aplicação de uma tensão externa no

caso do elétrodo polarográfico enquanto o mesmo não é necessário no caso do elétrodo galvânico.

(a) Sensor eletroquímico (b) Sensor ótico

Figura 2.10: Diagrama de diferentes tipos de sensores para medição de oxigénio dissolvido

2.3 Sensores 19

Os sensores de oxigénio dissolvido óticos, figura 2.10b, são compostos por uma película de

uma substância luminescente, esta é revestida por uma membrana permeável ao oxigénio permi-

tindo que o mesmo interaja com o material. O sensor faz incidir um feixe de luz, com determinado

comprimento de onda, sobre o material e mede através de um foto díodo a luminescência produzida

por essa excitação. A interação do oxigénio com a película sensível altera as suas propriedades

luminescentes. O sensor emite também um feixe de luz de referência de forma a garantir a estabi-

lidade e precisão das medidas. As medidas e os valores de referência são comparados permitindo

estimar a quantidade de oxigénio molecular dissolvido na água.

As especificações de diferentes tipos de sensores de oxigénio dissolvido existentes no mercado

encontram-se sintetizadas na tabela 2.5.

AqualaboOPTDO [36]

Sensorex LUMIN-SOptical DO [37]

Sensorex GalvanicDO6400TC [38]

Atlas ScientificDO Probe [39]

Fabricante PONSEL SENSOREX SENSOREX Atlas Scientific

Range0.00 - 20.00 mg/L0.00 - 20.00 ppm

0 - 200%

0.00 - 20.00 mg/L0.00 - 20.00 ppm

0 - 200%0.5 - 20.00 ppm 0 - 100 mg/L

InterfaceModbus RS-485

SDI-12Modbus RS-485

Modbus RS-4854-20 mA

Analógico(0-40mV)

Preço £710 $1,266 – $1,436 $541 - $723 $218Tipo Luminescência Luminescência Galvânico Galvânico

Tabela 2.5: Especificações de diferentes sensores de oxigénio dissolvido

2.3.4 Condutividade

Para determinação da condutividade de uma solução existem sensores capacitivos e indutivos.

No caso dos sensores capacitivos, o teste de condutividade baseia-se na aplicação de dois elé-

trodos em contacto com a amostra. Através da aplicação de uma tensão de corrente alternada nos

elétrodos é gerada uma corrente elétrica que atravessa o líquido. A intensidade dessa corrente

elétrica, e por sua vez a condutividade, são diretamente proporcionais à quantidade de partículas

portadoras de carga. Isto é, quanto maior for a concentração de aniões e catiões, maior a condutivi-

dade elétrica. Com concentrações elevadas de iões poderá ocorrer o fenómeno de polarização que

diminui a corrente elétrica, devido ao afastamento dos iões com a mesma carga em movimento, o

que prejudica a precisão das medidas.

Os sensores indutivos possuem duas bobinas. Uma corrente elétrica alternada é aplicada na

bobina transmissora onde é gerado um campo magnético. Este campo, por sua vez, faz mover as

partículas iónicas presentes na solução induzindo uma corrente na bobina recetora. A intensidade

desta corrente induzida depende da quantidade de iões livres e é assim possível determinar a

condutividade. Este tipo de sensores são indiferentes ao fenómeno de polarização [40].

Na tabela 2.6 podem ser consultadas as características dos diferentes tipos de sensores.

20 Estado da Arte

Atlas Scientific Conductivity Probe Aqualabo C4E Aqualabo CTZNFabricante Atlas Scientific PONSEL PONSEL

Range 5 - 200000 µS/cm 0 - 200 mS/cm 0 - 100 mS/cm

Interface AnalógicoModbus RS-485

SDI-12Modbus RS-485

SDI-12Preço 139e £660 -Tipo Capacitivo Capacitivo Indutivo

Tabela 2.6: Especificações de diferentes sensores de condutividade da água

Devido à dependência entre condutividade e a temperatura, esta última deve ser medida em

paralelo e a condutividade medida é relacionada com uma temperatura de referência.

Em certas situações pode manifestar-se relevante a deteção de determinadas partículas espe-

cíficas. Com recurso das propriedades da condutividade e com a utilização de elétrodos sensíveis

a iões (ISE do inglês ion selective electrode) estes instrumentos podem ser usados na deteção de

nitratos e fosfatos provenientes da agricultura ou amoníaco provenientes da industria, por exemplo.

2.3.5 Sondas de multi parâmetros

A Yellow Springs Instrument [41] é uma empresa americana fundada em 1948 por antigos

alunos do Antioch College em Yellow Springs no estado de Ohio [42].

Com mais de 70 anos de história, o grupo vem-se dedicando ao desenvolvimento de sistemas,

sensores e software para recolha de amostras, análise e monitorização da qualidade da água. A

organização tem desenvolvido produtos com recurso a avançada tecnologia direcionada não só à

qualidade da água, bem como, ao estudo dos fundos marinhos e leitos de rios, das orlas costeiras

e às mais diversas áreas ligadas ao ambiente aquático.

De entre o extenso catálogo de produtos disponível, importa destacar as sondas que incorporam

a possibilidade de ligação de um conjunto diverso de sensores de forma a permitir a recolha de

dados de diferentes parâmetros em simultâneo e com o uso de um único equipamento. É o caso

das sondas EXO da figura 2.11.

Figura 2.11: YSI EXO2 Multiparameter Sonde [3]

2.4 Fonte de Alimentação e Tecnologias de Energy Harvesting 21

Este tipo de sonda permite ao utilizador fazer rapidamente uma configuração com diferentes

sensores de acordo com o objetivo de estudo. Tem a opção de ligação de quatro, cinco ou sete

sensores, por exemplo sensor de temperatura, pH, potencial de oxidação redução, condutividade,

turbidez, amoníaco, nitrato, oxigénio dissolvido, entre outros.

Possuí memória interna para armazenamento de dados para posterior análise, suporte para

diferentes protocolos de comunicação Modbus RS-485, RS-232, SDI-12, comunicação sem fios

Bluetooth. Existe a opção de alimentação interna ou externa, com duração da bateria de cerca de

90 dias.

A empresa fornece software específico e dispositivos de interligação com as sondas de forma

a usufruir ao máximo dos recursos deste equipamento.

2.4 Fonte de Alimentação e Tecnologias de Energy Harvesting

Este sistema de monitorização destina-se a ser aplicado junto das margens dos recursos hí-

dricos o que representa um acesso dificultado a uma rede de energia elétrica. Com o objetivo de

conferir autonomia energética ao projeto, um requisito crucial do mesmo, é imprescindível a im-

plementação de um módulo de alimentação apropriado e que garanta a eficiência energética. Esta

pode ser alcançada com recurso a tecnologias de recolha de energia de fontes externas adjacentes

a uma solução de armazenamento.

2.4.1 Fontes de energia

O objetivo da recolha de energia é converter em energia elétrica a energia que existe em outras

formas no espaço envolvente de forma a alimentar os dispositivos eletrónicos. Essas formas de

energia podem ser por exemplo a energia solar, de rádio-frequência, térmica, hídrica ou eólica.

Escolher uma fonte de energia requer a identificação da potência necessária para alimentação do

sistema e garantir que esta é fornecida com níveis de tensão e corrente adequados. No ambiente em

questão, duas destas fontes de energia apresentam um relevância adicional em relação às restantes,

especificamente a energia solar e hídrica da água.

2.4.1.1 Energia Solar

Devido à sua abundância no meio ambiente, quase ilimitada, a energia proveniente do sol é

uma fonte de energia limpa e acessível revelando-se uma escolha evidente para a alimentação da

maioria das redes de sensores sem fios.

A energia solar é transformada em energia elétrica através das células fotovoltaicas. A potência

elétrica produzida pelos painéis solares depende tanto da intensidade de luz incidente como do

seu tamanho e rendimento. É, contudo, necessária uma eficiência elevada do sistema durante

a luz do dia de forma a assegurar o correto funcionamento do mesmo no período noturno. As

células fotovoltaicas são fabricadas na sua maioria por silício e podem ser classificadas de acordo

22 Estado da Arte

com a composição, nomeadamente células mono-cristalinas (com eficiência de 15-24%), poli-

cristalinas (com eficiência de 14-20.4%) e de silício amorfo (com eficiência de 8-13%) [14]. No

dimensionamento de sistemas de recolha de energia solar para sistemas embebidos é tipicamente

considerado o valor de 15mW/cm2 [14] para a densidade de potência.

Figura 2.12: Curvas de caraterística I-V (a vermelho) e de potência (a azul) de um painel fotovol-taico [4]

Na figura 2.12 podemos observar graficamente as caraterísticas elétricas que devem ser anali-

sadas na escolha de um painel fotovoltaico, nomeadamente:

Pmax – Potência máxima do painel;

VOC – Tensão de circuito aberto;

VMP – Tensão à máxima potência;

IMP – Corrente à máxima potência;

O custo de um painel solar é muito variável dependendo da eficiência, tamanho e material de

composição das células fotovoltaicas. A título de exemplo, o preço de um painel policristalino de

10W (VMP=17.5V, IMP=0.58A, 29x33cm) situa-se nos 25e, enquanto um painel policristalino de

40W (VMP=18.5V, IMP=2.17A, 67x45cm) ronda os 60e.

2.4.1.2 Energia Hídrica

Este método de recolha de energia recorre aos princípios da indução eletromagnética para con-

verter em eletricidade a energia cinética da água. O fluxo de água através das pás de uma turbina

produz a rotação de um gerador que produz energia. Posteriormente esta é, à semelhança da outra

solução, armazenada para utilização pelo sistema de monitorização. O total de energia produzida

é dependente do volume e velocidade da água do rio. A eficiência deste tipo de dispositivos está

essencialmente relacionada com a estrutura física da turbina usada, como se pode ver em [5]. Na

figura 2.13 apresentam-se diagramas de diferentes soluções para configuração das pás das turbinas.

2.4 Fonte de Alimentação e Tecnologias de Energy Harvesting 23

(a) (b)

Figura 2.13: Estruturas de turbinas hidroelétricas de eixos: (a) horizontal e (b) vertical [5]

2.4.2 Armazenamento Energético

A escolha da tecnologia de armazenamento de energia depende dos requisitos da aplicação.

Neste contexto, o tamanho, a capacidade, a potência, o numero de ciclos de carga e descarga

e o impacto ambiental são preponderantes na decisão. Para estes dispositivos existem diversas

soluções tais como baterias, supercondensadores e soluções híbridas que incorporam as duas an-

teriores.

No caso das baterias é ainda necessário considerar aspetos como densidade energética, a re-

sistência interna e a tolerância de sobrecarga. A densidade energética (Wh/kg) indica a máxima

quantidade de energia possível de ser armazenada por unidade de massa. A capacidade da bateria

representa a quantidade de energia que pode ser acumulada numa célula carregada. O número de

ciclos de carga e descarga de uma bateria, que representam o seu tempo de vida, varia de acordo

com o tipo do material de que são fabricadas e durante esse tempo a capacidade da mesma diminui

devido à degradação dos elétrodos por corrosão. Na tabela 2.7 estão sintetizadas várias parâmetros

de diferentes tipos de baterias.

Tipo Tensão (V) Capacidade (Ah) Cicloscarga/descarga

Densidadeenergética (Wh/kg)

Lead-Acid 2 1.3 500–1,000 30–50MnO2Li 3 0.03–5 1,000–2,000 280

Li poly-carbon 3 0.025–5 - 100–250LiSOCl2 3.6 0.025–40 - 350LiO2S 3 0.025–40 - 500–700NiCd 1.2 1.1 10,000–20,000 50–60NiMH 1.2 2.5 1,000–20,000 60–70Li-Ion 3.6 0.74 1,000–100,000 75–200MnO2 1.65 0.617 - 300–610

Tabela 2.7: Características de diferentes tipos de baterias [14] [15]

24 Estado da Arte

As baterias de chumbo são muito utilizadas em diversas aplicações devido ao baixo custo e

fiabilidade. No entanto, os longos tempos de carga e o reduzido número de ciclos de vida associa-

dos ao impacto ambiental negativo refletem-se em uma tendência para a substituição por tecnolo-

gias com maior capacidade energética e maior eficiência [15] [43]. As baterias de níquel-cádmio

(NiCd) apresentam tempos de recarga reduzidos e longo tempo de vida útil, contudo a sua utiliza-

ção é limitada dada a baixa capacidade e custos elevados em relação às baterias de chumbo [15].

As baterias de iões de lítio são muito atrativas para o mercado dos produtos eletrónicos devido ao

seu tamanho e massa reduzidas associadas à elevada eficiência e tensão das células. As principais

desvantagens desta tecnologia são o elevado custo inicial e a necessidade de um circuito especial

de proteção de sobrecarga [14] [15]. Outra adversidade do uso de baterias de iões de lítio, em

especial no caso específico deste trabalho, é a possibilidade de explosão da bateria em contacto

com humidade.

Os supercondensadores apresentam várias vantagens quando comparados com as baterias re-

carregáveis, nomeadamente longo tempo de vida útil sem perda de desempenho e capacidade de

armazenamento, na ordem das centenas de milhar de ciclos de carga e descarga, rápida e elevada

eficiência no processo de carregamento [14].

Supercondensador Ciclos carga/descarga Densidadeenergética (Wh/kg) Tensão (V)

Maxwell PC10 500,000 1.4 2.5Maxwell BCAP0350 500,000 5.1 2.5

Green-cap EDLC >100,000 1.47 2.7EDLC SC 1,000,000 3–5 2.7Pseudo SC 100,000 10 2.3–2.8Hybrid SC 500,000 180 2.3–2.8

Tabela 2.8: Características de diferentes tipos de supercondensadores [14] [15]

2.5 Comunicação

Uma das principais problemáticas das redes de sensores sem fios fios é a comunicação. São

muitos os desafios que são colocados na troca de mensagens entre dispositivos eletrónicos loca-

lizados em áreas remotas e os servidores. Tais como, a cobertura de rede, a largura de banda de

transmissão e tamanho das mensagens.

Existem atualmente diversas tecnologias de comunicações sem fios, cada uma delas apresenta

características diferentes. Isso exige, no momento de seleção da tecnologia a utilizar, compreender

as necessidades e exigências do projeto, de forma a implementar a solução mais adequada ao

contexto de aplicação.

Neste projeto, as comunicações são asseguradas pela rede Sigfox. Este era um dos pré-

requisitos do trabalho proposto. No entanto, existem também outras tecnologias, nomeadamente

as redes de comunicação móveis GSM, 3G e 4G, ZigBee, LoRa, WiFi ou Bluetooth, especialmente

2.5 Comunicação 25

desenvolvidas com o objetivo de desempenhar as tarefas de comunicação entre pequenos apare-

lhos eletrónicos. Esta secção é dedicada à apresentação detalhada da rede Sigfox pretendendo

expor todas as suas caraterísticas e evidenciar as razões da escolha desta.

2.5.1 Sigfox

A rede Sigfox é uma rede global de telecomunicações direcionada particularmente para o mer-

cado das IoT – Internet of Things – foi desenvolvida em 2009 pela multinacional francesa com o

mesmo nome [44].

A Sigfox é uma operadora de rede incluída no domínio das redes LPWAN, Low Power Wide

Area Network, designada recentemente por rede 0G (por comparação ao surgimento das redes 5G).

Este tipo de comunicações privilegia o baixo consumo energético no envio e receção de mensagens

o que permite aumentar significativamente a autonomia dos dispositivos e a transmissão a longas

distância, 10-40km em áreas rurais e 1-5km em áreas urbanas [45], viabilizando uma extensa

cobertura de rede. Como resultado direto destes aspetos existem algumas restrições na largura de

banda usada e no tamanho dos dados transmitidos. Outra característica inerente a esta tecnologia

é o baixo custo de implementação. Ao nível da rede, o longo alcance dispensa um grande número

de infraestruturas, e para o utilizador cada módulo de comunicação e correspondente subscrições

têm um preço residual.

Segundo a página web da empresa, a rede Sigfox está já implementada em 58 países nos cinco

continentes do mundo. Em Portugal, o serviço existe desde 2015, é assegurado desde 2019 pela

Cellnex Telecom (o mesmo fornecedor da rede em Espanha) e a cobertura é praticamente total.

Figura 2.14: Cobertura da rede Sigfox. Azul áreas com serviço ativo e violeta áreas emimplementação

O protocolo Sigfox utiliza uma gama do espetro das rádio frequências sem licença destinados

ao uso industrial, científico e médico com aproximadamente uma largura de banda de 200kHz.

A sua localização no espetro eletromagnético varia consoante a zona do globo sendo 868MHz na

Europa e Médio Oriente, 915MHz na América do Norte e 433 MHz na Ásia [45]. Com o recurso

26 Estado da Arte

às técnicas de UNB – Ultra Narrow Band – a largura de banda das frequências é usada de forma

eficaz e eficiente o que se traduz numa elevada imunidade ao ruído, um baixo consumo energético

e sensibilidade elevada do recetor mesmo com antenas de baixo custo.

Na figura 2.15 podemos observar os diferentes elementos que integram o sistema de comu-

nicações. Da esquerda para a direita temos, os dispositivos eletrónicos que enviam e recebem

mensagens, as estações Sigfox implementadas sobre as antenas de telecomunicações já existentes,

o servidor externo Sigfox CLOUD, que funciona como um canal intermédio entre as estações e a

aplicação personalizada desenvolvida pelo utilizador.

Figura 2.15: Arquitetura da rede Sigfox [6]

A pilha protocolar Sigfox, figura 2.16, que estabelece os padrões da comunicação está locali-

zada entre o sistema de monitorização e as estações base. Esta pilha é composta de três camadas

Frame, MAC (Medium Access Control) e a camada física.

Figura 2.16: Pilha protocolar da rede Sigfox [6]

A camada física recebe o sinal completo e procede à modelação do mesmo de forma a integrar

a informação necessária numa onda portadora e realizar a transmissão corretamente. Esta camada

recorre ao processo de modelação DBPSK, Diferential Binary Phase-Shift Keying, e GFSK, Gaus-

sian Frequency-Shift Keying para as mensagens uplink e downlink, respectivamente. Com estes

2.5 Comunicação 27

métodos a potência de transmissão pode atingir, por exemplo, 14dBm nos países europeus ou os

22dBm no continente americano [6].

A camada MAC é responsável pela agregação (na transmissão) e desagregação (na receção)

da informação das mensagens Sigfox. Na figura 2.17 é possível observar os diferentes campos

que constituem uma mensagem. As tramas são compostas por um prefixo para sincronização, o

Frame Sync contém o tipo de trama, um identificador único para cada dispositivo End-Device ID,

o payload para transporte de dados, o Authentication garante a autenticidade da mensagem e o

campo FCS (Frame Check Sequence) para deteção de erros. A trama downlink contêm ainda um

conjunto de flags e códigos de erro.

A camada Frame, correspondente às camadas de transporte e de rede do modelo OSI, gera a

estrutura do sinal rádio, a partir do payload proveniente da camada de aplicação desenvolvida pelo

utilizador, adicionando o número de sequência.

Figura 2.17: Trama de comunicação uplink e downlink da rede Sigfox [7]

Nas mensagens uplink cada dispositivo ligado à rede envia um sinal de rádio que será recebido

pelas estações base dentro do raio de alcance. As mensagens detetadas por cada estação base são

enviadas para a cloud onde estas são agregadas, eliminando dados duplicados. De seguida uma

simples mensagem é encaminhada para a aplicação desenvolvida pelo utilizador. A rede Sigfox

suporta um tamanho máximo de 12 bytes de dados para mensagens uplink, até a um máximo

140 mensagens diárias. Estas são transmitidas a uma taxa de transmissão de 100bps ou 600bps

dependendo da região de operação.

No caso de mensagens downlink o procedimento é diferente. É possível ao utilizador o envio

de dados para o dispositivo em qualquer altura, no entanto esta tomada de decisão terá de ser

realizada pelo próprio dispositivo. Este envia uma mensagem uplink com um pedido de receção

e compete ao utilizador o envio da resposta no momento oportuno. Uma vez enviada para a

cloud, o sistema encarrega uma estação base de fazer a transmissão para o dispositivo. A taxa

de transferência é de 600bps e está limitado a 4 mensagens diárias. O tamanho máximo de uma

mensagem downlink são 8 bytes.

28 Estado da Arte

Capítulo 3

Solução Proposta

Como ponto de partida para este trabalho foi realizada uma análise de requisitos do sistema.

Este estudo permitiu entender claramente as exigências envolvidas no projeto, de modo a tomar

decisões adequadas quanto à forma de implementação do mesmo. É também com base nestes

requisitos e na verificação dos mesmos no final, que podemos avaliar o sucesso do trabalho reali-

zado, assim como, retirar conclusões concretas sobre a pertinência das soluções adoptadas.

3.1 Análise de requisitos

O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema para monitorização em tempo

real de determinados parâmetros físicos e químicos de águas fluviais, por forma a inferir sobre a

sua qualidade. A partir das observações recolhidas, fazer uma análise com base em algoritmos

pré-programados e/ou inseridos pelo utilizador com o intuito de detetar perturbações indesejadas.

Após a recolha e análise dos dados, o sistema deverá comunicar informações relevantes a um

servidor, ficando estas disponíveis para acesso por uma aplicação externa permitindo avaliar a

necessidade de intervenção humana no local.

Uma vez que as margens dos recursos hídricos, com vista à instalação deste sistema, se en-

contram por vezes em áreas de difícil acesso, torna-se imprescindível garantir uma autonomia

energética elevada que minimize a intervenção do utilizador.

Na tabela 3.1 são apresentados os requisitos do sistema de acordo com a componente do pro-

jeto a que se referem.

29

30 Solução Proposta

Requisitos

1. Módulo de recolha e análise de dados:

(a) Executar a leitura de sensores de temperatura, pH, oxigénio dissolvido e

condutividade da água;

(b) Permitir a escalabilidade do sistema relativamente ao número e tipo de sen-

sores a utilizar;

(c) Permitir a leitura periódica de diferentes tipos de sensores com período mí-

nimo de 1 h;

(d) Implementar um escalonador de tarefas de recolha de dados em tempo real;

(e) Armazenar os dados recolhidos dos diferentes sensores em memória não vo-

látil;

(f) Armazenar os registos referentes a eventos e ocorrência de alarmes em me-

mória não volátil;

(g) Permitir ao utilizador configurar a localização GPS do módulo;

(h) Permitir ao utilizador definir e configurar os sensores a utilizar;

(i) Permitir ao utilizador fazer a configuração dos alarmes;

2. Interface dos sensores:

(a) Permitir a conexão de sensores analógicos com sinais de grandezas compre-

endidas entre -5V e 5V;

(b) Permitir a conexão de sensores digitais. Implementando o protocolo de co-

municação Modbus através de uma interface RS-485 comum em sensores

ambientais;

3. Interface com o utilizador:

(a) Permitir descarregar os ficheiros, com o registo de dados e eventos, através

de comunicação sem fios Bluetooth e com recurso a um smartphone;

3.2 Arquitetura do sistema 31

(b) Permitir ao utilizador configurar as especificações do sistema, nomeada-

mente:

i. número de identificação;

ii. localização GPS;

iii. identificação dos sensores, períodos de leitura e endereço;

(c) Permitir ao utilizador especificar o tipo de alarmes a utilizar através de um

ficheiro de configuração;

4. Comunicação com o servidor externo:

(a) A comunicação deve ser sem fios, com recurso à rede Sigfox;

(b) O sistema deverá comunicar o ocorrência dos alarmes definidos;

(c) O sistema deverá comunicar diariamente dados relativos a cada parâmetro

em análise;

(d) O formato das mensagens enviadas deverá obedecer a um padrão definido;

5. Fonte de alimentação:

(a) Garantir a autonomia do sistema por um período superior a um ano;

(b) Integrar um sistema de recolha de energia do meio envolvente e armaze-

namento da mesma, de forma a garantir a autonomia enunciada no ponto

anterior;

Tabela 3.1: Lista de requisitos do sistema

3.2 Arquitetura do sistema

De acordo com os propósitos do projeto e de forma a garantir o cumprimento dos requisitos

acima enunciados, foi desenvolvida uma arquitetura modular, construída com base em quatro

blocos fundamentais, ver figura 3.1.

No plano central temos o controlador do sistema responsável pela aquisição, análise e armaze-

namento de dados, gestão energética, comunicações e interface com o utilizador. Foram analisadas

várias alternativas para o controlador, entre as quais foi escolhido o controlador ESP-WROOM-

32D [16] desenvolvido pela Espressif. Este incluí no seu interior um microprocessador Xtensa de


Figura 3.1: Diagrama da arquitetura do sistema

32 bits com dois núcleos de processamento, 520kB de SRAM e memória SPI flash de 4MB pro-

porcionando um elevado poder de execução. Apresenta um elevado número de entradas e saídas

digitais, uma lista de periféricos externos como SPI, I2C, UART, ADC de 12 bits, entre outros.

Permite a conexão sem fios Wi-Fi e Bluetooth. Opera com nível de tensão de 3,3V e permite uma

gestão eficaz do consumo energético com diferentes modos de funcionamento. As razões enume-

radas, associadas ao custo muito reduzido (entre 5e e 20e), justificam a escolha desta solução em

detrimento de outras existentes no mercado.

As restantes três componentes são o circuito de interface entre os sensores e o CPU permi-

tindo a aquisição dos dados de diferentes sensores, o módulo responsável pela comunicação de

mensagens com o servidor externo através da rede Sigfox e a fonte de alimentação, composta de

um conjunto de baterias recarregáveis e um sistema de recolha de energia para conferir elevada

autonomia ao sistema. As seguintes secções explicam em detalhe como foram desenvolvidos cada

um destes componentes.

3.2.1 Interface com sensores

O princípio elétrico de funcionamento de cada tipo de sensor depende da grandeza que se

pretende medir. Como tal, a variação dessa grandeza pode refletir-se numa variação de tensão,

corrente ou resistência elétrica. Por essa razão, o sistema requer um circuito de interface que atua

como ponte de ligação entre o controlador e os sensores.

Os vários sensores ambientais de medição de parâmetros da água apresentam caraterísticas

muito distintas nomeadamente o modo de funcionamento, os sinais elétricos adquiridos, os proto-

colos de comunicação, entre outras. A interface proposta para fazer a ligação entre os sensores e o

módulo de monitorização pretende possibilitar a utilização de diversos tipos de sensores existen-

tes no mercado, tanto analógicos como digitais. Para tal, foi adotada uma solução plug-and-play.


Isto é, o sistema possuí um conjunto de entradas normalizadas onde são conectados os sensores

pretendidos pelo utilizador e posteriormente, após iniciar o módulo, a configuração dos sensores

escolhidos é realizada de forma automática pelo software, como explicado na secção 4.2.2.

Para garantir a uniformidade dos sinais elétricos recebidos, de forma que o controlador possa

interpretar corretamente os valores dos parâmetros medidos, esses devem ser expressos através de

um sinal analógico de tensão variável compreendida entre os -5V e +5V.

Para a correta medição de dados a partir de sensores analógicos, poderá ser necessário o uso,

entre este e o conversor analógico-digital, de um circuito de condicionamento de sinal projetado

especificamente para cada sensor de acordo com as suas caraterísticas físicas e as variáveis que

se pretendem medir. Por exemplo, um divisor de tensão para a medição da resistência de um

termistor ou um circuito com elevada impedância de entrada no caso dos elétrodos de pH.

O ESP32 disponiviliza 18 canais ADC de 12 bits para leitura de sinais analógicos, porém,

como este funciona com níveis de tensão de 3.3V, o seu uso limita as opções de escolha de senso-

res. Dessa forma, a solução adotada passa pelo uso de um conversor externo que comunica com o

microcontrolador através do barramento I2C. Foi escolhido o circuito integrado ADS1115 da Te-

xas Instruments da figura 3.2. Este é um conversor com 16 bits de precisão com um amplificador

de ganho programável, têm disponível 4 canais simples ou 2 diferenciais. O endereço I2C pode

ser configurado de entre quatro opções, permitindo, com recurso a quatro circuitos equivalentes,

estender até a um máximo de 16 canais no mesmo barramento. Este pode ser alimentado com ten-

são entre 2V a 5V. Com configuração de ganho 2⁄3 a escala completa de conversão é de ±6.144V,

de notar que o sinal nunca deve exceder VDD+0.3V.

Figura 3.2: ADS1115 diagram de blocos de funções [8]

No caso de sensores digitais, o microcontrolador oferece um conjunto alargado de entradas e

saídas digitais (GPIO’s) e portas de série. Assim, é apenas necessário um circuito de ajuste de nível

lógico, entre o sensor e o ESP32, e a implementação via software dos protocolos de comunicação.

O sistema construído têm um conjunto de MOSFET’s para fazer a conversão lógica entre os 5V

do sistema e os 3.3V de operação do microcontrolador.

3.2.2 Comunicação

Para fazer a transmissão de mensagens para o servidor, o sistema utiliza uma placa de comuni-

cação para a ligação à rede Sigfox desenvolvido pela Société Nationale des Objets Connectés [17],


representada na figura 3.3. A placa pode ser alimentada entre 1.8V e 3.3V. A cada módulo estão

associados dois códigos de identificação únicos, ID e PAC, que permitem identificar o mesmo no

servidor.

Figura 3.3: Módulo Sigfox SFM10R1

A comunicação entre o microcontrolador e o módulo de comunicação é realizada através de

uma porta série (com baudrate de 9600bps, 8 bits de dados, 1 stop bit e sem paridade) de acordo

com uma lista definida de comandos AT. Alguns comandos são apresentados a seguir. A lista

completa e detalhada pode ser consultada na datasheet [46].

AT Comando para teste de comunicação série;AT$I=10 Obter o identificador ID;AT$I=11 Obter o identificador PAC;AT$SF=XXXXXXXXXXXX Enviar mensagem Sigfox (hexadecimal);AT$P=2 Entrar em modo de poupança de energia (GPIO9=0 para reativa-

ção do módulo);

Na figura 3.4 está representada a máquina de estados de módulo de comunicação.

Figura 3.4: Máquina de estados do módulo Sigfox

Na rede Sigfox, o tamanho de cada mensagem uplink, isto é do dispositivo para o servidor,

poderá ser de 12 bytes no máximo. A informação das mensagens que se pretendem transmitir tem

ser manipulada de forma a ser inserida em 12 bytes de dados. Esta deve seguir um padrão definido

para poder ser interpretada posteriormente do lado do servidor. Apenas é enviada para o servidor

informação relativa à ocorrência de alarmes das leituras realizadas.


Na secção 4.5 é demonstrado o padrão usado nas mensagens Sigfox do módulo de monitoriza-

ção.

3.2.3 Fonte de alimentação

Um dos requisitos importantes do sistema de monitorização é a elevada autonomia energética.

Dessa forma, foi projetada uma fonte de alimentação que incorpora um sistema de Energy Har-

vesting para recolha de energia do meio, uma bateria para armazenamento da energia proveniente

do sistema referido anteriormente e um circuito regulador de tensão para alimentar o sistema.

A energia solar é convertida em energia elétrica a partir de um painel fotovoltaico. Esta ener-

gia é depois armazenada num conjunto de baterias. Para o correto carregamento das baterias, é

necessário um circuito intermédio de controlo dos ciclos de carga. De forma a atingir o máximo

rendimento do painel fotovoltaico, deverá ser implementado um circuito MPPT (Maximum Power

Point Tracking) garantindo o fornecimento da máxima potência. A ligação do sistema à fonte é

feita através de um regulador de tensão assegurando a tensão nominal do sistema de 5V.

O diagrama de blocos da figura 3.5 permite ilustrar a relação entre os diferentes componentes

da fonte de alimentação.

Figura 3.5: Arquitetura da fonte de alimentação

Na tabela 3.2 são apresentados os consumos máximos de corrente, em diferentes modos de

funcionamento, dos principais componentes do sistema, com a excepção dos sensores.

Componente CorrenteESP32:

Ativo com transmissão Bluetooth 130 mAAtivo em modo Modem Sleep (Bluetooth desligado) 68 mAModo Deep Sleep 150 µA

Módulo Sigfox:Transmissão 54 mAModo Deep Sleep 500 nA

Conversor ADC 150 µATabela 3.2: Consumos de corrente dos principais componente de hardware do sistema [16] [17] [8]


3.2.4 Arquitetura de software

A componente de software é o elemento essencial deste projeto. Nesta secção pretende-se

ilustrar com elevado nível de abstração o funcionamento geral da solução alcançada, ficando os

exemplos práticos, da implementação em código das partes mais relevantes, para o capítulo 4.

O software da aplicação foi desenvolvido na linguagem de programação C++ e pode ser di-

vidido em duas etapas distintas: a configuração inicial dos componentes e o ciclo infinito de

execução. O diagrama de blocos presente em 3.6, representa graficamente as diferentes fases de

cada etapa. Para compreender melhor o seu funcionamento, poderá ser pertinente a consulta do

diagrama UML das classes fundamentais do código, presente na figura A.1 em anexo.

A configuração do sistema é realizada pelo utilizador através de um conjunto de ficheiros XML

(Extensible Markup Language) contendo as especificações relativas ao módulo de monitorização,

aos sensores e aos alarmes. No caso dos alarmes, existe a alternativa de definir os mesmo através

da implementação das regras diretamente no código fonte. Esta possibilidade permite criar funções

mais completas e complexas para identificar irregularidades na qualidade da água.

A leitura periódica dos sensores é assegurada por um escalonador de tarefas em tempo real.

Este é responsável pela gestão dos processos de leitura dos sensores.

O sistema mantém um registo em memória não volátil de todas as leituras e eventos ocorridos

durante o ciclo de execução.

Uma particularidade deste módulo de monitorização é a possibilidade de o utilizador descar-

regar os dados guardados no módulo de monitorização através de uma aplicação móvel.

Quando o dispositivo inicia é realizada uma configuração de todas especificações referentes

ao sistema. Os ficheiros XML previamente editados pelo utilizador são carregados na aplicação.

Estes ficheiros contém informação relativamente ao número de identificação e localização GPS do

módulo, alarmes, períodos de leitura, identificação, endereço e caraterísticas dos sensores conec-

tados. A estrutura destes ficheiros pode ser consultada na secção 4.2.

Segue-se a inicialização do módulo de comunicação e do escalonador de tarefas. Antes ainda,

no caso de se tratar da primeira utilização, procede-se à atualização do relógio de tempo real (esta

ação requer uma ligação Wi-Fi com acesso à internet). É então, realizado um teste de comunicação

para verificar o correto funcionamento e a cobertura da rede Sigfox.

Para finalizar a etapa de configurações, é criado o escalonador de tarefas. A este, são adicio-

nadas as funções de aquisição de dados de acordo com os sensores presentes e respetivos períodos

de leitura.

Após a configuração do sistema, realiza-se um procedimento que irá ocorrer continuamente de

forma cíclica. Assim, começa-se por fazer uma atualização do escalonador em conformidade com

o relógio interno do CPU e ativa-se as rotinas de leitura dos sensores que deverão ser executadas

no ciclo em questão, através dos blocos SCHEDULER UPDATE e SCHEDULER DISPATCH,

respetivamente.

Seguindo para o bloco CHECK ALARMS, procede-se à verificação dos valores adquiridos


Figura 3.6: Arquitetura de software

de acordo com as regras estabelecidas pelos alarmes definidos anteriormente. Em caso de ocor-

rência de um alerta que possa ser indicador de irregularidades na qualidade da água é criada uma

mensagem. Os novos dados são processados, DATA PROCESSING, de forma a manter uma

estatística atualizada de todos os parâmetros físicos e químicos envolvidos.

O bloco LOG FILES é responsável pelo registo em memória não volátil dos valores medidos,

alarmes e eventos ocorridos. Caso o evento deva ser reportado ao servidor é criada uma mensagem

com essa informação. O padrão dos ficheiros de registo é exemplificado na secção 4.4.

As mensagens que foram criadas durante o ciclo de execução são agora, no bloco COMMU-NICATION, envidas para a rede Sigfox.


No bloco DOWNLOAD FILES é executada a rotina que permite ao utilizador receber os

ficheiros de registo num smartphone através de uma ligação Bluetooth caso tenha ocorrido um

pedido de ligação. Caso contrário, este bloco é ignorado.

Depois de todo este processo, o tempo até à execução da próxima tarefa é calculado e o sistema

entra em modo de poupança de energia durante esse período. A interrupção do modo de DEEPSLEEP acontece após o tempo determinado ou caso exista um pedido de ligação Bluetooth e,

logo de seguida, o ciclo é retomado do início. A implementação deste bloco pode ser consultada

na secção 4.7.

Capítulo 4

Implementação

Neste capítulo é feita uma apresentação detalhada da implementação da solução proposta no

capítulo anterior.

4.1 Hardware do sistema

Os elementos que integram a arquitetura de hardware do sistema são o CPU, a placa de co-

municações, um conversor analógico-digital, um cartão de memória, um relógio de tempo real e

a fonte de alimentação. À excepção desta última, a ligação entre as diferentes partes encontra-se

representada no circuito da figura 4.1.

A tensão de alimentação do sistema é de 5V. O ESP32 é alimentado com uma tensão de 3.3V

fornecida por um regulador de tensão incluído no circuito da placa de desenvolvimento.

O módulo Sigfox BRKWS01 comunica com o microcontrolador através de porta série. Os

pinos TX e RX são conectados aos pinos da UART2 do ESP32. A entrada GPIO9 é utilizada

para desativar o modo de poupança de energia. São utilizados dois leds para sinalização de que o

módulo se encontra ativo e em comunicação.

O sistema contém um cartão de memória SD para leitura e escrita de ficheiros. A comunicação

entre este e o microccontrolador é feita com recurso à interface SPI (Serial Peripheral Interface).

Os pinos MOSI, MISO, SCK e CS do socket do cartão são conectados aos pinos MOSI, MISO,

SCK e SS do ESP32.

No barramento I2C do ESP32 são conectados dois módulos. O primeiro, é um conversor

analógico-digital ADS1115. O endereço de comunicação pode ser configurado de quatro formas

distintas, conectando o pino ADDR ao pino GND, VDD, SDA ou SCL. O ADC dispõem de quatro

canais de aquisição com entrada genérica onde pode ser ligado qualquer tipo de sensor analógico.

O segundo, é um relógio de tempo real baseado no integrado DS1307 [47] da Maxim Integra-

ted. Este módulo incluí uma pilha de iões de lítio que permite guardar informação acerca da data

e hora em caso de falha de energia.

O botão conectado ao pino GPIO25 do ESP32 permite ligar o sinal Bluetooth para interface

com o utilizar. No pino GPIO33 é conectado um led para indicar esta ação.

39

40 Implementação

Figura 4.1: Arquitetura de hardware do sistema

4.2 Ficheiros de configuração 41

4.2 Ficheiros de configuração

Para configuração do sistema existem três tipos de ficheiros XML.

4.2.1 Configuração do módulo

O ficheiro config.xml, presente na raiz do cartão de memória, contêm todas as informações

gerais relativas ao módulo de monitorização, isto é, código de identificação do módulo, a locali-

zação GPS, a configuração de alarmes a ser usada, os sensores utilizados e respetivos períodos de

leitura. O formato do mesmo é exemplificado de seguida.

config.xml

1 <module>

2 <id>2E6C6C</id>

3 <location>41.177892,-8.597773</location>

4 <alarms_config>CUSTOM</alarms_config>

5 <connected_sensors>

6 <sensor>

7 <sensorID>DS18B20</sensorID>

8 <read_period>10</read_period>

9 <adc_address>72</adc_address>

10 <adc_channel>0</adc_channel>

11 </sensor>

12 <sensor>

13 <sensorID>JENWAY-027-227</sensorID>

14 <read_period>20</read_period>

15 <adc_address>0</adc_address>

16 <adc_channel>0</adc_channel>

17 </sensor>

18 </connected_sensors>

19 </module>

O atributo <id> deve ser o código de identificação do módulo de comunicação Sigfox, desta

forma, o identificador que aparece no servidor identifica o módulo de monitorização a que se

refere. As coordenadas GPS devem ser incluídas no atributo <location>.

A congiguração dos alarmes poderá ser CUSTOM ou AUTOMATIC. Este atributo indica se deve

ser usada uma configuração para os alarmes personalizada pelo utilizador e presente no ficheiro

alarms.xml ou uma configuração automática implementada no código fonte do controlador.

Dentro do campo <connected_sensors> deverá existir um atributo <sensor> para cada

sensor utilizado. Aqui são definidos o ID do sensor, o período de leitura, o endereço I2C e o canal,

42 Implementação

respectivamente em <sensorID>, <read_period>, <adc_address> e <adc_channel>.

O endereço I2C deve ser 72, 73, 74 ou 75, consoante o pin ADDR do conversor analógico-digital

esteja conectado a GND, VDD, SDA ou SLC, respectivamente.

4.2.2 Configuração dos sensores

Para cada sensor utilizado, deverá constar na pasta /sensors/ um ficheiro XML com as suas

características. O nome do ficheiro deverá ser exatamente igual ao identificador do sensor presente

no ficheiro de configuração.

Os atributos referentes ao parâmetro de leitura (TEMP, PH, DO, COND ou outros), identificador

e tipo (DIGITAL ou ANALOG) são comuns a todos os sensores. Os restantes dependem de cada

tipo de sensor.

De seguida são apresentados dois exemplos de sensores, um de temperatura e um de pH.

/sensors/DS18B20.xml

1 <sensor>

2 <param>TEMP</param>

3 <id>DS18B20</id>

4 <type>DIGITAL</type>

5 <min>-55</min>

6 <max>125</max>

7 <no_load_resistance>0</no_load_resistance>

8 <nominal_temperature>0</nominal_temperature>

9 <beta>0</beta>

10 </sensor>

No caso do sensor de temperatura, são configurados os limites de leitura (Celsius), a re-

sistência do termistor sem carga à temperatura nominal (Ohms), a temperatura nominal (Cel-

sius) e o valor de beta (28/85) (Kelvin), ou seja, os parâmetros que definem a curva do termis-

tor. De notar que, caso se trate de um sensor digital, alguns atributos são ignorados, tais como

<no_load_resistance>, <nominal_temperature> e <beta>.

4.2 Ficheiros de configuração 43

/sensors/JENWAY-027-227.xml

1 <sensor>

2 <param>PH</param>

3 <id>JENWAY-027-227</id>

4 <type>ANALOG</type>

5 <isopotencial>0</isopotencial>

6 <iso_error>0.02</iso_error>

7 <slope>0.05916</slope>

8 <impedance>3000000</impedance>

9 <signal_min>-0.500</signal_min>

10 <signal_max>0.500</signal_max>

11 </sensor>

As caraterísticas do sensor de pH são a tensão do sinal quando a solução apresenta um pH

neutro (V), o erro dessa tensão, o declive da reta a 25C (mV/pH), a impedância de saída do

sensor (Ω) e os limites do sinal de saída (V).

4.2.3 Configuração dos alarmes

A configuração dos alarmes pode ser personalizada pelo utilizador através do ficheiro /alarm

s/alarms.xml com recurso a um conjunto de regras.

O formato das regras e o significado dos seus atributos está presente no exemplo a seguir.

/alarms/alarms.xml

1 <alarms>

2 <alarm_rule>

3 <id>001</id>

4 <action>ALARM</action>

5 <type>HIGH</type>

6 <parameter>TEMP</parameter>

7 <value>20</value>

8 </alarm_rule>

9 </alarms>

44 Implementação

<id> Inteiro de 3 digitos para identificação do alarme;

<action> ALARM - a ocorrência do alarme deve ser comunicada ao servidor;EVENT - a ocorrência do alarme deve ser guardada no ficheiro de regis-tos;

<type> HIGH - quando o valor atinge um valor alto atípico;LOW - quando o valor atinge um valor baixo atípico;DEVIATION - quando o valor se distancia de um ponto pré-definido (porexemplo, a média);RATE - quando ocorre um aumento ou diminuição repentina num espaçode tempo pré-definido;

<parameter> TEMP - temperatura;PH - pH;DO - oxigénio dissolvido;COND - condutividade;

<value> Valor de referência do alarme;

4.3 Escalonador de tarefas de tempo real

A gestão das tarefas de leitura dos sensores é feita através de um escalonador de tempo real,

com uma precisão de um segundo. Cada tarefa de leitura do sensor tem o seguinte formato:

1 typedef struct

2 unsigned int period; // period in seconds

3 int delay; // seconds until next activation

4 unsigned long nextExec; // UNIX time of next activation

5 void (*func)(void); // function pointer

6 SchedTask;

Durante o bloco de inicialização da arquitetura de software é criado um elemento SchedTask

para cada uma das tarefas de leitura através da função:

1 SchedTask tasks[MAX_SENSORS];

2 int Sched_AddT(void (*f)(void), unsigned int p)

3 for(int i=0; i<MAX_SENSORS; i++)

4 if(!tasks[i].func) // if scheduler position is free

5 tasks[i].period = p; // init period

6 tasks[i].func = f; // init function

7 return i; // return position

8

9

10 return -1;

11 ;

4.4 Ficheiros de registo de dados 45

Uma vez configuradas as tarefas a realizar e após entrar no ciclo infinito de execução, as fun-

ções Sched_Schedule() e Sched_Dispatch() serão sempre executadas consecutivamente

no ínicio de cada ciclo.

A função Sched_Schedule() atualiza as tarefas do escalonador de acordo com o tempo do

relógio interno do CPU, nomeadamente o tempo de espera até à próxima execução.

1 Sched_Schedule(void)


3 if( tasks[i].func )

4 if(!tasks[i].nextExec) // if first schedule

5 tasks[i].nextExec = time(NULL) + tasks[i].period; // set time of

next execution

6

7 else if(tasks[i].nextExec) // if not first shedule

8 tasks[i].delay = tasks[i].nextExec - time(NULL); // update delay

time

9

10

11

12 ;

A função Sched_Dispatch() verifica se existem tarefas de leitura que devem ser realizadas

no presente ciclo e, caso se verifique, procede à sua execução.

1 void Sched_Dispatch(void)


3 if( tasks[i].func && ( tasks[i].delay <= 0) ) // if must execute

function

4 tasks[i].delay = tasks[i].period; // set new delay value

5 tasks[i].nextExec = time(NULL) + tasks[i].period; // set time of next

execution

6 tasks[i].func(); // execute function

7

8

9 ;

4.4 Ficheiros de registo de dados

No cartão de memória são guardados registos de todos os valores medidos e eventos ocorridos.

Na pasta /log/ do cartão de memória são mantidos atualizados os seguintes ficheiros:

46 Implementação

datalogger.txt Ficheiro de registo de todos as leiturasrealizadas;

eventlogger.txt Ficheiro de registo de todos os eventose alarmes ocorridos;

logXXX.txt Ficheiro de registo de leituras de cadaparâmetro individualmente;

Cada um destes ficheiro é guardado no formato CSV, Comma-separated values, e contém,

associada a cada leitura realizada, o timestamp da mesma.

4.5 Módulo Sigfox

As mensagens na rede Sigfox apresentam um tamanho limitado a 12 bytes de dados. Na

posição 0, temos um byte de identificação do tipo de mensagem. No presente momento, apenas

são comunicadas ocorrências dos alarmes definidos, mensagens identificadas com o valor 0x00,

contudo isto permite que posteriormente se possam criar outro tipo de mensagens.

Na figura 4.2 podemos observar como a informação relativa aos alarmes é codificada. Cada

alarme definido na aplicação é identificado por uma string única de três caracteres. Sabendo o có-

digo de identificação do alarme é possível, a uma aplicação externa ligada ao servidor, determinar

o parâmetro a que se refere e as condições de ocorrência do mesmo. Assim, nos três bytes nas

posições 1, 2 e 3 é enviado o identificador do alarme ocorrido. De seguida são usados quatro bytes

de dados (posição 4-8) para envio de um valor float (no formato IEEE 754 single-precision) com

a medição realizada. Por último, é enviado um inteiro de 4 bytes com informação relativa à data e

hora da medida no formato Unix Timestamp.

Figura 4.2: Padrão da messagem de alarme do módulo de monitorização

As mensagem criadas pela aplicação são guardadas numa lista ligada segundo a estrutura

seguinte:

1 typedef struct sigfox_message // struct to save sigfox messages in linked list

2 uint8_t sigfox_message[12];

3 uint8_t message_size;

4 sigfox_message;

56 LinkedList<sigfox_message*> messages = LinkedList<sigfox_message*>();

4.6 Interface com utilizador 47

No bloco de comunicação da arquitetura de software 3.6 da aplicação é realizado o envio das

mensagens criadas anteriormente. O módulo de comunicação, que se encontra normalmente em

modo de poupança de energia, é ativado colocando o valor HIGH na entrada GPIO9 da placa.

Para efetuar o envio da mensagem, é construída uma string composta com os caracteres hexa-

decimais de cada byte de dados. Esta é concatenada com um comando AT para envio de mensa-

gens,

AT$SF=00112233445566778899AABB

que é enviado via porta série para o módulo Sigfox, iniciando o envio da mesma. No final da

transmissão, é enviado o comando:

AT$P=2

e o módulo volta ao estado de poupança de energia.

main.cpp

1 while(1)

2 // (...)

3 if(messages.size()) // if messages to send

4 mySigfox.wakeUpDeepSleep(); // wake sigfox module

56 sigfox_message* message_copy;

7 while(messages.size())

8 message_copy = messages.shift(); // get message from messages linked

list

9 mySigfox.send_message(message_copy->sigfox_message, message_copy->

message_size); // send message

10

11 mySigfox.deepSleep(); // sigfox module entry sleep mode

12

13 // (...)

14

4.6 Interface com utilizador

O sistema possui um botão que deve ser pressionado para fazer o pedido de ligação entre o

módulo e o smartphone. Quando o mesmo é pressionado, o CPU executa uma interrupção ativando

a download_bluetooth_flag.

1 // Bluetooth Interrupt Function

2 void IRAM_ATTR ISR_BLUETOOTH()

3 download_bluetooth_flag = 1;

4

48 Implementação

Uma vez ativada a flag, o ESP32 passa a difundir um sinal Bluetooth e aguarda uma liga-

ção através de porta série a partir de um dispositivo móvel durante 45 segundos. Estabelecida a

conexão, o utilizador deverá enviar um dos seguintes comandos:

DATA Tranferir ficheiro /log/datalogger.txt;EVENT Tranferir ficheiro /log/eventlogger.txt;TEMP Tranferir ficheiro /log/logTemp.txt;PH Tranferir ficheiro /log/logPh.txt;DO Tranferir ficheiro /log/logDo.txt;COND Tranferir ficheiro /log/logCond.txt;CANCEL Cancelar operação;

Recebido um comando válido o sistema procede à transferência do ficheiro solicitado.

4.7 Modo de poupança de energia

No final do ciclo o sistema entra em modo de poupança de energia durante o tempo restante

até à próxima tarefa de leitura de um sensor. De entre a lista de tarefas, ao tempo mínimo para

a próxima execução é subtraído o tempo atual e, dessa forma, obtemos o tempo durante o qual

o sistema irá hibernar, isto é, entrar em modo deep sleep onde o consumo energético do CPU é

mínimo.

1 unsigned long time_next_read = MAX_SENSOR_READ_PERIOD;

2 for(uint8_t i=0; i<MAX_SENSORS; i++)

3 if(tasks[i].func)

4 if(tasks[i].nextExec < time_next_read) // calculate minimum value

5 time_next_read = tasks[i].nextExec;

6

7

8

910 unsigned long sleeptime = 0;

11 sleeptime = time_next_read - time(NULL); // calculate sleep time

O tempo calculado é configurado e o sistema entra em hibernação:

1 esp_sleep_enable_timer_wakeup(sleeptime * uS_TO_S_FACTOR); // set sleep time

2 esp_deep_sleep_start(); // entry deep sleep mode

A interrupção do modo de deep sleep acontece depois de decorrido o tempo configurado ou

caso seja pressionado o botão de download.

4.8 Fonte de alimentação 49

4.8 Fonte de alimentação

Para colocar em prática a proposta da fonte de alimentação mencionada na secção 3.2.3 foi

selecionado o seguinte hardware:

• Painel Fotovoltaico – Painel de células fotovoltaicas de 20W, capaz de fornecer 18,43V à

máxima potência [48];

• Circuito de carregamento de baterias – Baseado no circuito integrado LT3652 [10] desen-

volvido pela Analog Devices especialmente para aplicações semelhantes, este circuito faz a

gestão do carregamento das baterias a partir de um painel fotovoltaico através de um contro-

lador MPPT (Maximum Power Point Tracking) para garantir a máxima eficiência. Suporta

tensões de entrada entre os 4.95V e 32V. E uma tensão de carga programável até 14.4V;

• Bateria – Bateria de iões de lítio TopFuel LiPo 20C ECO-X 2400mAh 2S MTAG [49] com

capacidade de 2400mAh e tensão de saída de 7.4V;

• Conversor DC-DC 5V – Circuito conversor de tensão contínua baseado no regulador de

tensão LM2596 [50]. Suporta tensões de entrada entre 3.2V e 40V e tensão de saída entre

1.5V e 35V.

À data de conclusão deste trabalho, uma vez que o material não ficou disponível atempada-

mente, não foi possível completar a implementação do circuito de energy havesting, no entanto

nesta secção é ilustrada uma possível solução para o mesmo.

Na figura 4.3, podemos observar um conjunto de curvas típicas de um painel fotovoltaico.

Dependendo da radiação absorvida pelo painel solar, podemos observar o ponto para o qual o

mesmo fornece a máxima potência.

Figura 4.3: Curvas caraterísticas de um painel solar fotovoltaico [9]

No circuito de energy harvesting, presente na figura 4.4, o controlador MPPT disponibilizado

pelo integrado LT3652 deve ser ajustado consoante a radiação média do local de implementação

50 Implementação

do sistema de monitorização. Uma vez configurado, o carregamento da bateria é feito automatica-

mente. O circuito integrado termina o ciclo de carregamento quando a corrente de carga da bateria

desce até 1⁄10 da máxima corrente programada, entrando em modo de hibernação. Caso a tensão

de saída da bateria desça 2.5% abaixo da tensão de carga completa programada, o circuito inicia

um novo ciclo de carregamento. O integrado disponibiliza um conjunto de circuito de proteção de

segurança, por exemplo um circuito de monitorização da temperatura interna da bateria.

Figura 4.4: 2A Solar Panel Power Manager With 7.2V LiFePO 4 Battery and 17V Peak PowerTracking [10]

Os 5V de alimentação do sistema são fornecidos através de um circuito conversor DC-DC

Step Down, presente na figura 4.5, conectado à bateria de forma a garantir um valor de tensão

constante.

Figura 4.5: Circuito conversor DC-DC Step Down

Com base na tabela 3.2, foi realizada uma estimativa do consumo energético do sistema. Ad-

mitindo que as leituras são realizadas com um período de 1 h e que têm a duração de 1 min,

encontrando-se o sistema em poupança de energia o restante tempo, foi possível obter os valores

da tabela 4.1. De notar que, o cenário considerado neste estudo corresponde ao pior caso, isto é,

4.8 Fonte de alimentação 51

assume-se que o módulo Sigfox e o sinal Bluetooth se encontram ligados durante todo o tempo em

que o sistema se encontra no modo ativo.

Modo Funcionamento Corrente Duração Consumo Consumo DiárioAtivo 184.15 mA 1 min 3.069 mAh

77.196 mADeep Sleep 0.15 mA 59 min 0.148 mAh

Tabela 4.1: Consumo de energia do sistema - Estimativa

A bateria selecionada tem uma capacidade de 2400 mAh. Com um consumo diário de 77.196 mAh,

o sistema pode ser alimentado exclusivamente pela bateria durante aproximadamente um mês, as-

segurando a autonomia do módulo durante os períodos de menor incidência de luz solar, nomea-

damente no inverno.

52 Implementação

Capítulo 5

Resultados

Este capítulo é dedicado à realização de testes e interpretação dos resultados obtidos. Pretende-

se com esta análise verificar o cumprimento dos requisitos presentes no capítulo 3.

5.1 Teste da deteção de ocorrência de alarmes

Este teste tem como objetivo verificar o correto funcionamento da rotina de análise dos valores

medidos, deteção de possíveis irregularidades e comunicação das situações ocorridas ao servidor.

5.1.1 Procedimento

O teste foi realizado em relação ao parâmetro temperatura. Foi utilizado o sensor digital

DS18B20, mergulhado num recipiente com água pré-aquecida a apróximadamente 40 C. O sis-

tema executa a leitura periódica do sensor em ciclos de 1min. Durante o arrefecimento, à medida

que se vai alcançando o equilibrio térmico entre a água e a temperatura ambiente (aproximada-

mente 20 C no local de ensaio) e recorrendo à configuração de um alarme de deteção de nível

baixo de temperatura definido para 30 C, o sistema deve detetar uma anomalia no valor da tem-

peratura.

No momento da ocorrência do alarme, a informação relativa ao mesmo deve ser comunicada

pela rede Sigfox e ficar disponível no servidor.

O código fonte do sistema foi alterado para permitir a comunicação via porta série com o

computador e imprimir as leituras realizadas durante o processo para visualização no terminal.

Após definir, nos ficheiros de configuração, o respetivo alarme e o período de leitura do sensor,

procedeu-se ao início do teste.

5.1.2 Resultados

O teste decorreu durante cerca de 30min, onde foi feito um acompanhamento da evolução da

temperatura. Os dados referentes ao teste são apresentados a seguir. De notar que, para a lista de

leituras não ser extensa, apenas foram apresentados dados em intervalos de 5min.

53

54 Resultados

Saturday, 25 January 2020, 17:10:17

ID: 2E6C6C

Location: 41.177892, -8.597773

Number of Sensors: 1

Alarm Configuration: CUSTOM

Sigfox is ready:

ID: 002E6C6C

PAC: 058EF8B5B6507D5E

25/01/2020 , 17:10:46 , TEMP , 39.75

25/01/2020 , 17:15:00 , TEMP , 38.44

25/01/2020 , 17:20:23 , TEMP , 36.50

25/01/2020 , 17:25:46 , TEMP , 34.81

25/01/2020 , 17:30:05 , TEMP , 33.56

25/01/2020 , 17:35:07 , TEMP , 32.25

001 EVENT LOW TEMP 33.00 > 32.25 | 25/01/2020 , 17:35:07

25/01/2020 , 17:40:11 , TEMP , 31.00

001 EVENT LOW TEMP 33.00 > 31.00 | 25/01/2020 , 17:40:11

25/01/2020 , 17:45:08 , TEMP , 29.87

002 ALARM LOW TEMP 30.00 > 29.87 | 25/01/2020 , 17:43:20

Wake up Sigfox

FRAME: 0030303241EEF5C35E2C7E38

Como podemos observar, quando a temperatura desceu abaixo dos 30 C deu-se a ocorrência

de um alarme. Embora não tenha sido referido anteriormente, uma vez que esta condição não

altera os resultados do teste, foi definido também um alerta para indicar leituras próximas do valor

definido para o alarme.

Após a ocorrência do alarme, foi criada uma trama hexadecimal para ser enviada para módulo

Sigfox.

Como explicado na secção 4.5 a informação codificada na mensagem é a seguinte:

00 Mensagem do tipo alarme;303032 String "002"identificadora do alarme ocorrido;

41EEF5C3 Float com o valor de temperatura de 29.87 C medido;5E2C7E38 Inteiro 1579974200 correspondente ao Unix Time Stamp do dia e hora da leitura;

No servidor backend encontram-se as mensagens que foram enviadas com sucesso. A mensa-

gem relacionada ao teste efetuado pode ser consultada na figura 5.1.

5.2 Teste da interface com o utilizador 55

Figura 5.1: Mensagem recebida no servido Sigfox referente ao teste dos alarmes

5.2 Teste da interface com o utilizador

O teste à interface com o utilizador visa demonstrar a funcionalidade de transmissão para

qualquer dispositivo, através de uma ligação Bluetooth, dos dados contidos nos ficheiros de registo

presentes no cartão de memória e confirmar a sua integridade.

5.2.1 Procedimento

Para realizar a comunicação série via Bluetooth foi usado um smartphone com o sistema ope-

rativo Android 10, no qual foi instalada a aplicação móvel Serial Bluetooth Terminal [51] para

estabelecer a ligação com recurso a um terminal.

Com o sistema a funcionar normalmente, foi pressionado o botão de pedido de transferência.

Uma vez iniciada a difusão do sinal pelo microcontrolador, é feita a ligação a este a partir da

aplicação. Foi enviado o comando DATA para o microcontrolador para fazer o pedido de envio do

ficheiro /log/datalogger.txt presente no cartão de memória.

5.2.2 Resultados

Figura 5.2: Terminal da aplicação móvil Serial Bluetooth Terminal

56 Resultados

O terminal presente na figura 5.2, com o resultado do teste efetuado, permite configurar um

conjunto de botões para o envio dos comandos desejados.

Este teste dispensa uma análise interpretativa, dado que, apenas pretende demonstrar o funci-

onamento da interface.

5.3 Teste de cobertura Sigfox

Uma vez que uma das premissas deste trabalho era o uso da tecnologia de comunicações

Sigfox, é importante avaliar a eficiência desta rede para fundamentar a escolha da mesma. O teste

realizado permite perceber se exitem e quais são as limitações associadas à utilização de redes de

telecomunicações de baixa potência em sistemas autónomos.

5.3.1 Procedimento

Foi programado o microcontrolador ESP32 para fazer o envio de uma mensagem de teste

sucessivamente a cada 5 minutos durante um período de cerca de 2 horas. O teste foi realizado

num dia com condições meteorológicas favoráveis (com o céu limpo) ao longo de um percurso de

cerca de 7 km no centro da cidade do Porto.

5.3.2 Resultados

No servidor Sigfox são disponibilizadas alguns dados relativos à qualidade das mensagens

trocadas com a rede. Nomeadamente, a relação sinal-ruído, SNR, e a potência do sinal de rádio

recebido, RSSI, que podem ser consultados respetivamente nas figuras 5.3 e 5.4.

Figura 5.3: SNR das menssagens de teste da rede Sigfox

5.4 Teste de consumo de energia do sistema 57

Figura 5.4: RSSI das menssagens de teste da rede Sigfox

A qualidade das mensagens recebidas foi considerada pela rede entre AVERAGE e GOOD.

Para uma mensagem ser classificada com a qualidade máxima, EXCELENT, esta deve ser recebida

no mínimo por três estações base com uma potência superior a -122dBm. Não é possível saber

o número de estações base que receberam cada mensagem, no entanto, a potência média das

mensagens recebidas durante o teste foi de -121.5dBm com SNR médio de 21.5dB. Tendo em

conta os resultados, podemos considerar o desempenho da rede satisfatório. Contudo, é importante

salientar que as condições de teste não foram ideais, já que o conceito do sistema pressupõe que

este seja utilizado em zonas de menor densidade demográfica e, como tal, com possíveis limitações

de acesso a estações base Sigfox.

5.4 Teste de consumo de energia do sistema

O objetivo deste teste prende-se com a validação do requisito de autonomia energética presente

na tabela 3.1 da Análise de Requisitos.

5.4.1 Método

Para obter o valor real do consumo de corrente do sistema foram realizadas várias medições.

Foi usado um sensor analógico de temperatura, o termistor NTC B57164K104J, para que o con-

sumo do conversor analógico-digital esteja incluído no teste realizado. O consumo do módulo

de comunicação foi testado isoladamente do sistema. Assim, as medidas foram realizadas nas

condições de teste enumeradas em seguida.

58 Resultados

ESP32:Em modo Modem Sleep, com Wi-Fi e Bluetooth desligados;Execução da rotina para interface com o utilizador:

-Coneção estabelecida;-A transmitir;

Em modo Deep SleepMódulo BRKWS01 Sigfox:

Em standby;A transmitir;Em Sleep Mode;

Os instrumentos utilizados na realização do teste foram uma fonte de tensão constante de 5V,

HQ-POWER PS23023 [52], para alimentação do sistema e um multímetro digital, MASTECH

M9803R [53], para medição da corrente com precisão de 10 µA e 100 µA para valores de corrente

até 40 mA e 400 mA, respetivamente.

5.4.2 Interpretação de resultados

As medidas realizadas encontram-se sintetizadas na tabela 5.1.

Condição de Teste CorrenteESP32:

Em modo Modem Sleep, com Wi-Fi e Bluetooth desligados; 64.2 mAExecução da rotina para interface com o utilizador:

-Coneção estabelecida; 82.9 mA-A transmitir; 133.3 mA

Em modo Deep Sleep 7.3 mAMódulo BRKWS01 Sigfox:

Em standby; 529 µAA transmitir; 47.8 mAEm Sleep Mode; 1 µA

Tabela 5.1: Consumos de corrente reais

Com base nos resultados obtidos, através de uma simples observação, é possível fazer um re-

paro. O microcontrolador no modo de poupança de energia apresenta um consumo de 7.3 mA que

suscitou alguma atenção, já que é um valor demasiado elevado quando comparado com o espe-

rado de 150 µA. Depois de uma análise cuidada, no sentido de perceber as razões que justificavam

esta medida, concluiu-se que esta se deve ao circuito do placa de desenvolvimento do ESP32. O

circuito do módulo ESP32-DevKitC-32D utilizado incorpora um led indicador de que o mesmo

se encontra alimentado. O led vermelho intenso com uma queda de tensão de 1.9 V em série com

uma resistência de 2 kΩ e alimentado a 3.3 V têm um consumo de corrente de 7 mA, precisamente

um valor muito próximo da medida realizada.

Nas mesmas condições de utilização assumidas para obter os dados da tabela 4.1, foi agora

estimado, a partir dos dados testados, o consumo real do sistema.

5.4 Teste de consumo de energia do sistema 59

Admitindo as seguintes condições de utilização:

• O sistema realiza leituras de 1 em 1 hora, com duração de 1 min;

• O sistema encontra-se em deep sleep durante o restante tempo;

• Diariamente o sistema envia 3 mensagens Sigfox. Esta tarefa demora cerca de 30 s;

• O pedido de transferência Bluetooth ocorre 2 vezes por mês com duração máxima de 30 s;

Foi estimado o consumo real do sistema apresentado na tabela 5.2.

Modo Funcionamento Corrente Duração Consumo Consumo DiárioAtivo 64.2 mA 1 min 1.07 mAh

34.02 mADeep Sleep 301 µA 59 min 0.295 mAh

Sigfox 47.8 mA 0.5 min 0.398 mAhBluetooth 133.3 mA 0.5 min 1.111 mAh

Tabela 5.2: Consumo de energia do sistema - Aproximação real

Com um consumo diário de 34.02 mA, a bateria de iões de lítio 2400 mAh garante a autono-

mia do sistema durante aproximadamente 70 dias sem necessidade de recarga. Esta autonomia

não garante por si só o cumprimento do requisito do trabalho, verificando-se ser importante a

implementação de um circuito de energy harvesting.

Neste teste não foi considerado o consumo dos sensores. Assim, a autonomia real do sistema

final está dependente da escolha dos sensores a utilizar.

60 Resultados

Capítulo 6

Conclusão

Com este trabalho foi desenvolvido um sistema de monitorização ambiental direcionado para

a deteção de poluição na água.

Este sistema visa ser implementado nas margens de recursos hídricos de água doce, proce-

dendo à aquisição de dados sobre os parâmetros da qualidade da água. Trata-se de um sistema

flexível que permite fazer uma configuração personalizada quanto ao tipo e número de sensores

a utilizar, bem como, aos algoritmos de análise dos níveis de poluição. Uma vez detetadas irre-

gularidades nos valores medidos, esta informação é prontamente enviada para um servidor online

através da rede 0G Sigfox, estando acessível em qualquer parte do globo.

Devido às caraterísticas do sistema, concretamente a elevada autonomia energética, possível

em razão de um sistema com baixo consumo energético paralelo a um sistema de recolha e arma-

zenamento de energia solar, o equipamento pode funcionar autonomamente por um longo período

de tempo, dispensando intervenção humana constante.

É importante fazer referência à questão económica. Este é um aspeto relevante uma vez que

o valor monetário associado à proposta final alcançada é da ordem dos 120e, muito abaixo das

soluções existentes no mercado. E, sendo este um protótipo, o custo de uma possível produção

poderia ser minimizado. À quantia indicada, teria ainda de ser somado o preço dos sensores a

utilizar. A lista de material e o preço do mesmo pode ser consultados na tabela B.1.

6.1 Trabalho Futuro

Reconhecendo que existem ainda algumas limitações e que é possível atingir uma solução

ideal, é apresentado agora o trabalho que pode ser desenvolvido posteriormente com base no que

já foi realizado.

Uma vez que existe no mercado uma vasta oferta de sensores digitais para medição dos pa-

râmetros envolvidos neste âmbito, e que tais sensores possibilitam a comunicação em protocolo

Modbus, a implementação de uma interface RS-458 uniformizada seria o ponto de partida para

tornar a solução mais completa. Este era um dos requisitos do sistema proposto, no entanto não se

verificou viável a sua implementação no tempo disponível.

61

62 Conclusão

A identificação de focos de poluição na água requer, por vezes, o uso de métodos complexos

na análise das grandezas físicas e químicas medidas. A implementação de algoritmos mais sofis-

ticados na verificação da ocorrência de alarmes torna-se assim preponderante, numa próxima fase

deste trabalho.

O sistema de monitorização da qualidade da água preenche as exigências na deteção de po-

luição fluvial, no entanto o conceito que deu origem à proposta realizada prende-se com o uso

múltiplos equipamentos semelhantes ligados numa rede de sensores sem fios. Como tal, existe

aqui a necessidade de elaborar um sistema secundário, do outro lado do servidor, que realize a

gestão de toda a informação recolhida e permita ampliar o impacto que o trabalho realizado possa

ter no mundo real.

Como enunciado anteriormente neste documento, o sistema de energy harvesting proposto não

foi implementado na prática. Dada a sua importância e estudo já realizado, isto é também algo a

completar futuramente.

Anexo A

Diagramas

A.1 Diagrama de classes UML da solução de software

Figura A.1: Diagram de classes UML da solução de software

63

64 Diagramas

Anexo B

Material

B.1 Lista material e tabela de preços

Componente PreçoESP32-DevKitC-32D 13,60eSIGFOX BRKWS01 (1 de subscrição) ano 23,88eADC I2C - ADS1115 17,60eI2C RTC 4,40eCartão SD + Socket 5,38eBateria de iões de lítio 7.4 V, 2400 mAh 26,20ePainel Fotocoltaico 10W 18,95eLT3652 Energy Harvester 3,00eLM2596 conversor DC/DC 3,90eTOTAL 116,91e

Tabela B.1: Lista de material utilizado

65

66 Material

Referências

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sistema autónomo de monitorização da qualidade de águas ... · atrás. com o aparecimento das...

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