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Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR
Departamento Acadêmico de Informática - DAINF
Departamento Acadêmico de Eletrônica - DAELN
Engenharia de ComputaçãoOficina de Integração 3 (IF66J) – S71 – 2014/2
Relatório TécnicoSistema para medição da qualidade do ar com
transmissão de dados via GPRS
Eucyelle K. S. Pinto – [email protected]
Jonathan B. M. Santos – [email protected]
Nicolas M. Beleski – [email protected]
Fevereiro de 2015
Resumo
Inspirado pelos efeitos nocivos que a emissão de poluentes na atmos-fera tem sobre a nossa saúde, principalmente em grandes centros urba-nos, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema automá-tico de monitoramento da qualidade do ar capaz de adquirir dados desensores, informações temporais e de localidade, e transmití-los atravésda rede de telefonia móvel para um servidor. Este relatório descreve asdiferentes partes individuais do sistema, testes realizados e a integraçãona formação de um protótipo completo. São relatados também proble-mas encontrados e uma avaliação de possíveis melhorias e recomenda-ções para trabalhos posteriores que compartilhem da área de sensoria-mento e aquisição de dados da qualidade do ar atmosférico.
1 Introdução
A cidade de Curitiba e sua Região Metropolitana somam atualmente 12 es-tações fixas de monitoramento do ar, de acordo com a Secretaria do Meio Ambi-ente e Recursos Hídricos (SEMA)[3]. Nestas estações, alguns gases poluentes sãomonitorados, por exemplo, o monóxido de carbono, previsto pela resolução doConselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) 03/90[8]. Destas, pelo menos2 encontram-se atualmente desativadas, de acordo com a SEMA. Tais estaçõesde monitoramento colaboram para a criação de políticas públicas relacionadasà poluição atmosférica urbana, que afeta diretamente a saúde da população.
Entretanto, segundo relatório divulgado pelos institutos Associação de Pro-teção ao Meio Ambiente de Cianorte/PR (APROMAC) e Instituto Brasileiro deProteção Ambiental (PROAM)[4], apenas 1,7% dos municípios Brasileiros sãocobertos para o diagnóstico de poluição do ar, o que soma apenas 252 esta-ções de monitoramento em um país que é o considerado o quinto maior do
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mundo em extensão territorial. Apenas para critério de comparação, regiõescomo Estados Unidos e o continente europeu são cobertos por cerca de 5.000e 7.500 estações respectivamente, segundo relatório divulgado no site dos mes-mos institutos[2]. Segundo este, uma projeção para o estado de São Paulo para oano de 2030 (partindo do ano de 2012) prevê um gasto de mais de R$1,5 bilhõescom internações decorrentes da poluição atmosférica. Estas hospitalizaçõesterminarão em óbitos estimados entre 218 a 256 mil casos. O principal entravepara o aumento no número de estações no Brasil é a falta de recursos, como ob-servado no estado do Rio Grande do Sul e divulgado pelo UOL (baseando-se emdados divulgados pela Fundação Estadual de Proteção Ambiental)[7].
O principal objetivo deste trabalho foi de prototipar um sistema de monito-ramento acessível e móvel da qualidade do ar, permitindo, assim, monitorar mi-croregiões com maior detalhamento de leituras. Estas microregiões ampliariama base de dados já coletados pelas estações fixas, pois possibilitariam o monito-ramento em ruas e avenidas, por exemplo. Este sistema poderia, por exemplo,ser instalado no sistema público de transporte.
Para atingir tal objetivo, foi proposto um protótipo de um sistema embar-cado, mostrado na Figura 1. Este utiliza-se de sensores capazes de medir a con-centração de determinados gases próximos da superfície da Terra, de um GPSque irá fornecer informações sobre o local e a data das leituras, de um módulo decomunicação GSM/GPRS que irá transmitir os dados coletados via rede 2G/3Gde uma provedora de telefonia celular à uma estação base composta de um ser-vidor que irá receber os dados e mostrá-los em uma página web responsiva.
Figura 1: Diagrama esquemático do sistema
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2 Índice de Qualidade do Ar
O índice de qualidade do ar, de acordo com a Wikipedia[9], é um númerousado por departamentos governamentais para divulgar ao público o quão po-luído o ar se encontra ou os limites aceitáveis em diversas situações. Se esteíndice se eleva em um determinado local, uma maior porcentagem da popula-ção irá experimentar os efeitos nocivos à saúde causados pela poluição, comoproblemas cardiorespiratórios.
Diversos países possuem seus próprios índices, sendo estes corresponden-tes aos diferentes padrões nacionais de qualidade do ar. No Brasil, este índicefoi instituído pelo IBAMA e aprovado pelo CONAMA, através da resolução CO-NAMA 03/90[8] e demonstrado na Tabela 1.
Tabela 1: Padrão de qualidade do ar CONAMA 03/90
Conforme o CONAMA, os elementos que são atualmente monitorados noBrasil são as Partículas Totais em Suspensão (PTS), as Partículas Inaláveis meno-res que 10 mícrons (P M10), o Dióxido de Enxofre (SO2), o Dióxido de Nitrogênio(NO2), Ozônio (O3) e o Monóxido de Carbono (CO). Para o calculo do índice,que varia entre 0 e 500, é utilizado a equação de Kiely (1996) 1.
Indi ce = Indi cei ni ci al+(Indi ce f i nal − Indi cei ni ci al
Conc f i nal −Conci ni ci al∗Concmedi d a−Conci ni ci al
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Os sensores de gases que serão utilizados para compor o sistema de monito-ramento móvel pertencem à família MQx (produzidos pela HANWEI ELECTRO-NICS), sendo esses o MQ-4 (Metano, C H4) e o MQ-7 (Monóxido de Carbono,CO), conforme Figura 2. Também na Figura 2 pode-se observar o tamanho dossensores, sendo válido tanto para o MQ-4 quanto para o MQ-7. A escolha dossensores deve-se a disponibilidade de mercado dentro do espaço de tempo parao desenvolvimento do projeto e os seus preços acessíveis, em torno de $12 cada.
(a) Sensor MQ-4 (C H4) (b) Sensor MQ-7 (CO)
(c) Tamanho do Sensor
Figura 2: Sensores que compõem o protótipo do sistema de monitoramentomóvel
Os sensores MQ-4 e MQ-7, de acordo com seus respectivos datasheets [5] e[6], são capazes de detectar concentrações de metano e monóxido de carbono,respectivamente, presentes em concentrações desde 200 a 10000 ppm (partespor milhão). O tempo de resposta é rápido e a sensibilidade é boa dentro dafaixa de operação. Para se obter dados confiaveis de leitura, eles necessitam deum tempo de aquecimento que varia de 24 a mais de 48 horas (no caso do sen-
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sor de CO). Estes sensores são alimentados por 5v e tem um consumo variandoentre 150 e 300 mA. Testes com o sensor em movimento são necessários paradeterminar se existe uma variação dos resultados, acredita-se que o vento tenhaum impacto sobre a temperatura do sistema.
Figura 3: Demonstração do experimento realizado no LACTEC.
Com o objetivo de calibrar os sensores, foi realizado uma visita ao InstitutoLactec, mais especificamente ao Laboratório de Emissões Veiculares (LEME)onde, com o auxílio do pesquisador Luiz Carlos Daemme, foi possível realizartestes com os gases nos quais os sensores monitoram. Basicamente, os testesconsistiram em submeter os sensores a amostras já conhecidas de Metano e Mo-nóxido de carbono. Através de um cilíndro com as amostras e um regulador depressão, foi possivel injetar essas partículas em uma garrafa PET para que es-tas entrassem em contato com o sensor para obter a leitura conforme mostra aFigura 3.
Durante testes preliminares com os sensores, foi possível gerar os gráficos 4e 5 dos sensores MQ-4 e MQ-7, respectivamente. Conforme pode ser observadono primeiro gráfico, após estímulo com gás Butano (gás de cozinha, usado comosubstituto na tentativa de obter gás Metano) o sensor de C H4 apresenta valo-res maiores de leitura, isto acontece porque o sensor não responde para apenasuma composição química única, o modelo indica aquela substância que é me-lhor detectada. Este varia uma leitura de cerca de 300 a quase 600 (valor que éproporcional a tensão que está sendo aplicada ao pino). No segundo gráfico, osensor foi estimulado por gases liberados pelo escapamento de um carro (quecontem CO em sua composição). Este variou a leitura de cerca de 300 a 500 nomomento do estímulo. Estas resposta são a tensão detectada em um divisor docircuito de medição e convertidas para um valor de 0 a 1023.
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Figura 4: Gráfico demonstrativo dos dados coletados pelo sensor MQ-4
Figura 5: Gráfico demonstrativo dos dados coletados pelo sensor MQ- 7
3 Módulo de GPS para Rastreamento
Para a solução no quesito rastreabilidade, é escolhido o módulo A1035-Hpor sua fácil aquisição e preço acessível, entorno de 10 dólares, visto o caráterde prottipo do projeto. O módulo, apresentado na Figura 6, é composto prima-riamente pelo circuito de controle e uma antena de cerâmica. É alimentado porcerca de 30mA quando ligado e operacional, tem uma tensão de funcionamentode 3.3V e comunica-se via porta serial. O protocolo de comunicação do módulocom os hosts de GPS é o NMEA 0183, formado por varios pacotes. Segundo o sitedo fabricante [13], o protocolo NMEA é formado por strings curtas na forma detexto ASCII. As mensagems transmitidas são diversas, com informações diferen-tes em cada uma delas. Para o sistema desenvolvido são de interesse os dadosde latitude, longitude, data e hora. O pacote utilizado no projeto foi o GPRMC,ou Recommended minimum specific GPS/Transit data, a Tabela 2 mostra umamensagem exemplo e as informações que nela contém.
O módulo comunica-se via serial com o microcontrolador enviando men-sagens a uma taxa de 1Hz. Seguindo especificações do fabricante, o tempo deinicialiação é muito baixo, com valores retornando em menos de 1s após ligado,o tempo para captação dos primeiros sinais completos em contrapartida podevariar conforme a localização e a intensidade do sinal presente, ou seja, próximode janelas ou em localidades a céu aberto, o sinal é melhor.
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Figura 6: Módulo GPS A1035-H.
Tabela 2: Exemplo de pacote GPRMC.
$GPRMC,225446,A,4916.45,N,12311.12,W,000.5,054.7,191194,020.3,E*68225446 Horário UTCA A = Ok, V= warning/error4916.45, N Latitude 49◦16,45′ Norte12311.12, W Longitude 123◦11,12′ Oeste0.5 Velocidade sobre o chão em Nós54.7 {Course Made Good}191194 Data020.3, E Variação Magnética*68 Checksum obrigatório
Na sequência realiza-se um teste de exatidão do dispositivo. Para tal, usa-secomo referência um local fixo, de coordenadas conhecidas obtidas através deum mapa. Com o gps no ponto de referência faz-se a captura de 15 minutos(900 pacotes) e para cada um calcula-se a distância até o valor referência domapa, em uma situação ideal, todos estas distâncias seriam 0. Com estes dadosobtidos é possível gerar informações estatísticas sobre a exatidão do módulo,apresentados na Tabela 3. Como a escolha do módulo junto da proposta era avalidação do sistema, erros na faixa de 20 metros são completamente aceitáveispara a aplicação pretendida.
Tabela 3: Estatísticas comparando dados do GPS com ponto fixo conhecido, o erro édado pela distância direta entre a referência e a resposta do módulo.
Medida MetrosMédia 22.84Desvio padrão 17.57Maior erro 331.22
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4 Módulo de Comunicação
Para viabilizar a utilização do módulo em diversos locais, sem torná-lo de-pendente de uma rede WiFi, opta-se pela utilização da rede telefônica para atransmissão de dados. Para tal, módulo SIM900 GPRS Quadband é ideal parao uso em áreas urbanas. Seu custo relativamente baixo, entrorno de R$ 135,00,somado a capacidade de emular todas as funcionalidades básicas de um tele-fone móvel são a motivação pela escolha baseado no artigo do Dr. Zaghloul[16]. Utiliza-se no projeto o Shield da TinySine na Figura 7 que carrega o móduloSIM900 para facilitar a integração com o microcontrolador e todo o desenvolvi-mento em geral do sistema.
Figura 7: Módulo GSM/GPRS TinySine utilizando SIM900.
Entre as funções do módulo, utiliza-se aquela da conexão 3G. Uma requisi-ção é feita a operadora e esta fornece então uma faixa de conexão com a internete um IP próprio para o dispositivo. O controle é todo feito via UART baseado emcomandos AT [16]. Como usa a rede de telefonia para manter a conexão, exige-se um cartão SIM autorizado. Os comandos AT de configuração são enviados viaporta serial através do microcontrolador, e para tal escreve-se toda uma rotinalógica de conexão e comunicação.
5 Integração do Sistema
Para permitir que todo o sistema funcione da forma planejada, foi necessá-rio a implementação de um servidor para que pacotes pudessem ser enviadosatravés do shield com chip SIM900 acoplado ao Arduino e, de posse destes pa-cotes, realizar a quebra em strings de interesse, como data, dados de localizaçãoe etc. Estas strings são então direcionadas à um banco de dados MySQL que iráfazer o armazenamento de longo prazo destes dados. A frequência de transfe-
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rência de dados para quesões de validação, foi colocada em um pacote a cada30 segundos. Estes dados são de grande importância para formar uma páginaweb, esta utlizando da tecnologia de design responsivo (que se adapta aos maisdiversos displays), que irá mostrar para usuários interessados como se encon-tra a qualidade do ar em um determinado local baseado nos dados colhidos dossensores.
Com base no artigo do Wan-Li Cheng [1] foi desenvolvido um sistema de co-res. São três cores: verde, amarelo e vermelho. Foi determinado um sistema decores, ilustrativo, que representa a média das leituras realizadas e cada trans-missão individual.
A cor verde representará que média foi baixa logo o ar estará com uma boaqualidade. Já o amarelo requer atenção e o vermelho que a qualidade do ar estánociva à saúde.
Tendo cada parte do sistema testada e configurada dentro do possível, parte-se para a integração com o microcontrolador. Primeiramente cria-se uma lógicabásica para o funcionamento do protótipo, parte-se do teste da conexão, aqui-sição de dados do GPS, aquisição de dados dos sensores, envio de dados paraservidor e apresentação destes dados em uma página web.
A preparação do sistema consiste da comunicação serial entre o microcon-trolador e o módulo SIM900 para configurá-lo no modo GPRS. Conecta-se narede da provedora de dados móveis, espelhando como é feito em um aparelhocelular. Estando com um IP próprio, o protótipo está pronto para enviar dadospara a internet, como mostra a figura 8.
Figura 8: Integração entre os módulos GPRS/GSM e o Arduino.
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A aquisição dos dados propriamente ditos acontece em seguida, começandopelo GPS. A mensagem fornecida pelo satélite oferece mais informação do queo necessário, então a stream de dados é quebrada e apenas data, local e horasão salvos. A seguir ocorre a leitura dos sensores, de forma simples, aproveita-sedas bibliotecas do Arduino e é necessário apenas uma leitura em uma de suasportas analógicas para cada sensor conectado.
Com todos os dados recolhidos, monta-se uma mensagem no formato espe-rado pelo servidor (Tabela 4, com os dados ordenados e separados por vírgula.A aplicação rodando no serivdor encarrega-se de quebrar novamente o pacote,guardar as informações no banco de dados para então fazer uma simples inter-pretação e mostrá-los em uma tabela, conforme mostra a figura 9.
Tabela 4: Encapsulamento dos dados.
Pacote de dadosId Data Hora Latitude Longitude Sensor 1 Sensor 2
Figura 9: Exemplo de apresentação de dados no final do processo.
6 Discussão
Acompanhando todas as seções do trabalho, fica claro que é viável a criaçãode um sistema de monitoramento rastreável. Os sinais adquiridos são enviadoscom sucesso em um um pacote de dados contendo o local de aquisição, data ehora. Estes são recebidos no servidor e então exibidos em uma página Web paraque seja possível acompanhar em tempo real a chegada dos dados. Sem ummaior número de sensores, e no caso sensores mais específicos, não é prática
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a definição de um índice de qualidade próprio para este sistema, ficando assimuma opção aberta para o futuro.
Inevitavelmente, para o uso proposto, outros sensores são necessários paraque variações reais sejam notadas. Trabalhos encontrados diferem sobre a apli-cabilidade dos sensores da série MQ [15] [14], mas nossos testes mostram quepara medidas feitas em lugares abertos com baixa concentração dos gases emquestão, estes sensores não são viáveis.
Para desenvolvimentos futuros, existem duas opções para melhoramento naobtenção de leituras confiáveis, sendo que elas não são exclusivas, e em con-junto tornariam a criação de um índice mais próximo daqueles que existem emalguns países. A primeira opção direta, é o uso de sensores mais precisos querespondam a concentração de gases presentes em ambientes abertos, ou seja,abaixo dos 20 ppm. Com o objetivo de manter a faixa de preços relativamentebaixo, buscam-se sensores eletrônicos mais simples. Por exemplo um sensor degases profissional como o BK Precision 627 está na faixa de $ 180 doláres. Umsensor que atenderia todos os requisitos do projeto, incluindo a sensibilidadepara valores entre 1 e 100ppm e o baixo custo é o MiCS-5525 da e2v Technolo-gies [10].
(a) Sensor de CO da e2v. (b) Sensor de precisão da BK.
Figura 10: Recomendações de sensores de CO.
Uma segunda opção é o uso de sensores ópticos que não dependem da con-centração de um determinado gás, mas que respondem conforme a presençade partículas de pó no ar. Para um projeto de pesquisa de baixo custo, nesta
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frente recomenda-se um sensor óptico como o Compact Optical Dust Sensor daSHARP[11] ou o Particle Dust Sensor da Shinyei[12]. Os dois são bem seme-lhantes, vide Figura 11, e também estão na mesma faixa de preço, entre 15 e 30dólares.
(a) Sensor de poeira da SHARP. (b) Sensor de partículas da Shinyei.
Figura 11: Recomendações de sensores de particulado.
7 Conclusão
Este trabalho, apesar de não ter alcançado a expectativas dos integrantessobre os sensores, gerou resultados positivos na forma de um estudo de viabi-lidade para um sistema de monitoramento sem fio utilizando 3G como tecno-logia proposta. O sistema final é capaz de transferir os valores captados pelossensores e estes são atualizados em tempo real na página web do servidor. Sãopropostos sensores capazes de gerar resultados reais para análises dentro dassituações propostas, em favor à trabalhos futuros.
Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer aos professores da disciplina, Gustavo e Guilherme,que com paciência e incentivo ajudaram a conduzir o projeto. Também agra-decemos aos colegas e pais pelo incentivo e confiança em nós depositada. Domesmo modo queremos agradecer ao pesquisador Luiz Carlos Daemme e aoInstituto LACTEC-LEME pela colaboração para com o nosso projeto.
Referências
[1] Wan-Li Cheng. Comparison of the Revised Air Quality Index with the PSIand AQI Indices. Science of the Total Enviroment, 382, 2007.
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[2] Monitoramento da Qualidade do Ar no Brasil. Disponível em:.http://www.mma.gov.br/port/conama/processos/C1CB3034/Monitoramento_Qualidade_Ar_Brasil1.pdf.
[3] Secretaria de Meio Ambiente e Recursos Hídricos. Disponível em:. http://www.meioambiente.pr.gov.br/modules/conteudo/conteudo.php?conteudo=23.
[4] Relatório de Pedido de Vista. Disponível em:. http://www.mma.gov.br/port/conama/processos/C1CB3034/Relat_PedidoVista_APROMAC_Parte1.pdf.
[5] Datasheet MQ-4 disponivel em:. http://www.china-total.com/Product/meter/gas-sensor/MQ-4.pdf/.
[6] Datasheet MQ-7 disponivel em:. http://www.china-total.com/Product/meter/gas-sensor/MQ-7.pdf/.
[7] Jornal do Comércio. Disponível em:. http://jcrs.uol.com.br/site/noticia.php?codn=167669.
[8] Conselho Nacional do Meio Ambiente. Disponível em:. http://www.mma.gov.br/port/conama/res/res90/res0390.html.
[9] Air Quality Index. Disponível em:. http://en.wikipedia.org/wiki/Air_quality_index.
[10] Datasheet MiCS-5525 CO Sensor. Disponível em:. http://www.e2v.com/shared/content/resources/File/sensors_datasheets/Metal_Oxide/mics-5525.pdf.
[11] Datasheet SHARP Compact Optical Dust Sensor. Disponível em:. https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/gp2y1010au_e.pdf.
[12] Datasheet Shinyei Particle Sensor PPD42NS. Disponível em:. http://www.sca-shinyei.com/pdf/PPD42NS.pdf.
[13] Protocolo NMEA 0183 Standard. Disponível em:. http://www.nmea.org/content/nmea_standards/nmea_0183_v_410.asp.
[14] Gautham Reddy. Final Report: Embedded Systems for EnvironmentalSensing disponivel em: Nima Nikzad. http://mesl.ucsd.edu/gupta/cse237b-f09/ProjectReports/EnvironmentalSensing.pdf.
[15] Hongzhang Liu Ruilin Liu Badri Nath Srinivas Devarakonda, Parveen Se-vusu. Real-time Air Quality Monitoring Through Mobile Sensing in Metro-politan Areas. Proceedings of the 2nd ACM SIGKDD Internation Workshopon Urban Computing, 2013.
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[16] Dr. Mohamed Saad Zaghloul. Gsm-gprs Arduino Shield (gs-001) with SIM900 chip Module in Wireless Data Transmission System for Data Acquisi-tion and Control of Power Induction furnace. International Journal of Sci-entific & Engineering Research, 4(5), 2014.