4 MATERIAL E MÉTODOS
4.1 Metodologias de teste
A metodologia base do trabalho consiste em analisar diferentes cenários de consumo de energia do sistema de sensores de incêndio desenvolvido no Laboratório de Monitoramento e Modelagem climático (LAMMOC). O estudo por meio de diferentes panoramas permite a extensão do trabalho analisado para aplicações em outros sensores wireless, desde que instalados em solo, para monitoramento ambiental, agricultura de precisão, entre outros.
A partir da identificação do consumo inicial do protótipo, denominado neste trabalho como cenário A, foram considerados outros dois cenários: cenário B, no qual chegou-se a uma redução de 50% do consumo de energia do protótipo e o cenário C, onde foi possível a redução de 80%. Estes cenários foram selecionados baseados nas expectativas de redução de consumo relatadas pelos membros do LAMMOC.
As metodologias de teste para avaliação de alternativas tecnológicas para alimentação de sensores remotos, são compostas por testes simplificados que serão ferramentas de auxílio na avaliação da performance e tomada de decisão. Os passos utilizados são apresentados na Figura 10.
Figura 10 Fluxo da metodologia de testes Fonte: Própria (2019)
4.1.1 Medição do Consumo do Sistema de Sensores
A primeira etapa da análise consistiu na identificação do consumo de energia do conjunto de sensores, parte primordial no dimensionamento do sistema de alimentação. Um dos desafios do projeto é buscar formas de reduzir o máximo possível este consumo visando aumentar a vida útil do sistema para uma mesma fonte de energia, além disso a frequência de operação do sensor também pode ocasionar uma redução do consumo.
4.1.1.1 Materiais
A lista de materiais utilizadas para a realização do teste são apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 Materiais utilizados para teste de consumo do sensor
Materiais Quantidade
Multímetro Digital 1
Protótipo Sensor de Incêndio Florestal 1 Fonte: Própria (2019)
4.1.1.2 Procedimento
Com intuito de facilitar as medições, os componentes do sensor foram conectados a uma bateria. O consumo de corrente de cada componente do conjunto de sensores foi medido utilizando um multímetro. Este dispositivo foi conectado em série com o circuito elétrico e regulado para medir valores de corrente em microampères (mA).
A primeira série de medições do trabalho foi feita no LABUNKER no dia 13 de agosto de 2019. Para cada elemento que compõe o sensor foi identificado o valor máximo de corrente, caracterizando o pior cenário de consumo do sistema. O ponto de partida das medições se deu com todos os elementos do sistema ligados e conectados à uma fonte externa de energia. Após a realização da primeira medição os elementos foram desconectados, um a um, sendo tomadas novas medidas que refletiam o comportamento da corrente após as respectivas desconexões.
A partir dos valores encontrados, além do consumo total do conjunto de sensores, foi possível calcular o consumo de cada componente do sensor florestal. O cálculo foi feito pela diferença entre os valores de mAh medidos com o elemento conectado ao circuito e após sua desconexão. Por meio dos resultados encontrados foi possível fazer um estudo comparativo entre os valores.
4.1.1.3 Resultados
A partir da Figura 11 até a Figura 15 são apresentadas todas as medições realizadas para identificar os consumos de corrente dos elementos do protótipo de sensor de incêndio.
a) b) c)
Fonte: Própria (2019)
Figura 11 Medição da corrente do sistema a) completo b) sem o sensor de gás c) sem o sensor de temperatura
Fonte: Própria (2019)
Figura 13 Medição da corrente do sistema após a desconexão do relógio Fonte: Própria (2019)
Figura 14 Medição da corrente do sistema após a desconexão do módulo loRa
Figura 15 Medição de consumo do Arduino Uno Fonte: Própria (2019)
Na Tabela 2 é apresentado o consumo de cada um dos elementos do sensor de incêndio. É possível identificar que o Sensor de Gás utilizado é o componente responsável pelo maior consumo de energia do sensor de incêndio florestal, representando mais da metade do seu consumo total, 66,65%.
Tabela 2 Análise de consumo componentes do sensor de incêndio florestal
Sistema Consumo [mAh] % consumo no
protótipo Módulo LoRa 9,5 5,58% Cartão SD 3,8 2,23% Relógio RTC 3,8 2,23% Sensor Gás 113,5 66,65% Sensor Temperatura 1 0,59% Arduino 38,7 22,72% Total 170,3 100,00% Fonte: Própria (2019)
O consumo total identificado anteriormente de 170,3 mAh foi denominado de cenário A, para as demais análises foram considerados os cenários B e C, no quais reduziu-se respectivamente em 50% e 80 % o consumo total de energia e consequentemente, representam dispêndio de 85,15 e 34,06 mAh. Os detalhes dos cenários estão descritos na Quadro 3 .
Quadro 3 Cenários de consumo analisados
Cenário A
Consumo (mAh)
Consumo inicial medido 170,3
Cenário B
Consumo (mAh)
Consumo inicial reduzido em 50%
85,15
Cenário C
Consumo (mAh)
Consumo inicial reduzido em 80%
34,06
Fonte: Própria (2019)
4.1.2 Análise das alternativas de fontes de alimentação
Conforme discutido anteriormente, existem diversas alternativas de fontes que podem ser usadas para alimentação de sensores wireless sendo as principais e mais usuais: energia solar, eólica e baterias.
A opção de energia eólica foi descartada para este caso em particular, pois conforme visto na seção 3.5.2, o Parque Nacional de Itatiaia possui baixa incidência de ventos, tornando-o não elegível para instalação de geradores eólicos convencionais. Sendo assim, a alternativa principal de estudo aqui apresentada foca no uso de energia solar e armazenamento de energia em baterias.
A partir da análise dos resultados da seção 4.1.1 foi realizado um levantamento de tecnologias disponíveis no mercado capazes de gerar energia e/ou armazenar energia, o objetivo é garantir que o sistema de sensores de incêndio florestal funcione de forma satisfatória e com o menor custo possível.
4.1.2.1 Procedimento
A análise das tecnologias encontradas levou em consideração os seguintes critérios:
1. foram selecionados somente equipamentos cujas voltagens são capazes de conectar-se e fornecer energia ao Arduino, ou seja, entre 6 e 20 volts e baterias não recarregáveis para fins comparativos de capacidade de alimentação e custo;
2. após a triagem inicial, foram calculadas, a partir das potências e voltagens informadas pelos fabricantes, a capacidade de geração de energia das diversas fontes escolhidas, em mAh; 3. o cálculo do tempo de operação do conjunto de sensores,
considerando os diversos cenários de consumo e as diferentes capacidade das fontes, mAh;
4. o custo por hora de operação do sistema considerando a utilização das respectivas fontes de alimentação, com base nos preços de mercado encontrados;
5. a quantidade de equipamentos necessárias para alimentar cada sensor de incêndio e posteriormente o investimento total considerando a instalação dos 10 sensores previstos no projeto.
Inicialmente considerou-se o pior cenário de consumo, ou seja, o cenário A; posteriormente foram verificadas as performances esperadas considerando os demais cenários. A Tabela 4 contém o tempo de operação do sistema de sensores para o consumo atual do sensor de incêndio florestal, considerando a capacidade de cada tecnologia e os valores de custo horário de operação do sistema.
No mercado foi possível encontrar diversos tipos de painéis solares (Tabela 3) incluindo opções sem sistema de baterias acoplado, equipamento este indispensável para a aplicação proposta visto que é necessário garantir o
funcionamento do sistema de sensores durante a noite e em dias nublados. Para estes casos, foram levantados os valores de mercado de baterias recarregáveis e controlador de carga (Tabela 4), soluções que elevaram consideravelmente o custo de investimento das referidas tecnologias.
Tabela 3 Comparativo de tecnologias, considerando o cenário A Cenário A
Item Descrição Potência (W) Tensão (V) Capacida de (mAh) Tempo de Operação (h) Custo Unitário Custo/h 1 Painel Solar 3 W e 6 V (Sunwal) 3 6 500 2,90 R$ 62,00 R$ 21,38 2 Painel Solar 10 W e 19 V (Sinosola SA10-36P) 10 19 526 3,00 R$ 69,00 R$ 23,00 3 Kit painel solar 7 W e 9 V + bateria + lâmpadas de LED (Gdplus) 7 9 4.500 26,40 R$ 186,99 R$ 7,08 4 Painel Solar 1,5 W e 12 V (Anbes) 1,5 12 125 0,70 R$ 35,00 R$ 50,00 5 Painel Solar 10 W e 9 V (Lenharo LMS- PSMONO) 10 9 1.111 6,50 R$ 101,90 R$ 15,68 6 Painel Solar 3 W e 6,4 V + 3 6,4 3.000 17,60 R$ 123,48 R$ 7,02
luminária bateria ( Ey7001) * 7 Painel Solar 22 W e 18 V + bateria recarregável Moura 12 MVh + controlador de carga 22 18 1.222 7,10 R$ 380,00 R$ 53,52 8 Bateria de Carro 70W e 12 V (Moura 12MN36) 70 12 36.000 211,30 R$ 269,99 R$ 1,28 Fonte: Própria (2019)
Tabela 4 Componentes extras utilizados em algumas tecnologias
Descrição Custo
Controlador de carga para painéis solares R$ 42,59 Bateria Estacionaria Freedom Df4001 12v 240ah Nobreak,
solar R$ 1.195,89
Fonte: Própria (2019)
4.1.2.2 Resultados
Como resultado da triagem de alternativas disponíveis no mercado, foi desenvolvida uma ferramenta que ficará à disposição do Laboratório de Monitoramento e Modelagem de Sistemas Climáticos, LAMMOC, que objetiva auxiliar na tomada de decisão no que tange a escolha do sistema de alimentação para sensores de monitoramento ambiental instalados no solo. Para sua utilização, basta que seja inserido o consumo total, em mAh, que pode ser obtido seguindo o
procedimento descrito na seção 4.1.1 e que se escolha a tecnologia desejada (Figura 16), e a ferramenta informará a estimativa de horas de operação do sensor, o custo horário da alternativa, a quantidade de equipamentos necessárias para alimentar o sensor durante 24h e o investimento por sensor.
Figura 16 Ferramenta análise de tecnologias comerciais para alimentação de sensores remotos
Fonte: Própria (2019)
Vale ressaltar que os cálculos são feitos admitindo 100% da capacidade teórica dos painéis solares entregues aos sensores, ou seja, em situação de condições climáticas ideais, o que se sabe que não ocorre na prática. A fim de que se garanta o correto funcionamento do sistema, é recomendado que se realizem testes para verificação da capacidade real de geração de energia das fontes escolhidas e do sistema de baterias, o que será abordado posteriormente nas seções 4.1.3 e 4.1.4.
Considerando os menores custos horários e maiores tempo de operação, foram selecionados os itens 3, 6 e 8 da Tabela 3, para análise mais aprofundada.
A bateria convencional, item 8 da Tabela 3, chama atenção devido a seu baixíssimo custo horário e alta capacidade, no entanto, faz-se necessário levar em consideração seu tempo de substituição, uma vez que não estariam conectadas a nenhum equipamento de recarga. Na Tabela 5, é possível notar que, levando em consideração o consumo atual do protótipo, embora a solução entregue o menor custo horário e o alimente por cerca de 211 horas, seriam necessárias 3
substituições por mês, gerando um custo fixo mensal de R$ 1.012,46 (apenas com equipamento) para garantir o sistema em funcionamento. Foi, portanto, descartada a possibilidade do seu uso visto que além dos impactos ambientais, é uma solução economicamente inviável.
Tabela 5 Análise utilização bateria
Bateria
Tempo de troca (dias) Quantidade de
trocas / mês Custo Fixo Mensal
8 3 R$ 1.012,46
Fonte: Própria (2019)
Para o estudo de caso em questão, foi escolhido o painel solar 3W e 6,4 V já existente na UFF e utilizado pelo LAMMOC em diversas aplicações (Figura 17), que além de possuir um dos melhores custos e capacidades teóricas de alimentação encontradas, já possui controlador de carga e 2 baterias de 1.500 mAh e 3,2 V de Lítio- Ferro a ele acopladas dentro de uma luminária, evitando custos extras com esses equipamentos.
Figura 17 Painel solar 3 W e 6,4 V + luminária bateria (Modelo: Ey7001) Fonte: Lojas Americanas (2019)
4.1.3 Teste de autonomia do sistema de baterias
Após a definição do painel solar a ser utilizado através dos critérios adotados anteriormente, foram realizados testes para verificar a autonomia do sistema de baterias a fim de confirmar experimentalmente a sua capacidade em mAh.
Embora o fabricante mencione que o sistema é composto por 2 baterias de 1.500 mAh e 3,2 V de Lítio- Ferro, o que resulta em uma capacidade teórica de 3.000 mAh, é importante entender sua capacidade real, já que, em campo, a tensão gerada pela célula solar será transferida diretamente a ele, sendo esta energia imprescindível para a alimentação do conjunto de sensores em períodos sem sol, como dias nublados, nos quais a geração de energia é menor, e durante a noite.
4.1.3.1 Materiais
Abaixo encontra-se a lista de materiais necessários para a realização do referido teste (Tabela 6).
Tabela 6 Materiais utilizados para teste da autonomia do sistema de baterias
Materiais Quantidades
Placa Arduino UNO 1
Módulo de relógio RTC DS3231 1 Módulo de cartão de memória SD 1 Cartão de memóriamicro SD16G 1
Placa protoboard 1
Cabo USB 1
Fios para conexão (Jumpers) 15
Resistências 6
Cabo adaptador 1
Luminária contendo 2 Baterias de 1500
mAh, 3.2v de Lítio-Ferro 1
Fonte: Própria (2019)
4.1.3.2 Procedimento
4.1.3.1.1 Montagem dos circuitos elétricos
A fim de reproduzir o consumo do sensor de incêndio, foi feita a montagem de três circuitos utilizando resistências comerciais (Tabela 7) que mais se aproximam aos valores equivalentes as resistências necessárias para simular os diferentes cenários de consumo estudados, A, B e C.
O Arduino foi conectado ao sistema e programado para fazer a leitura da tensão de saída da bateria, de forma a ser observador da descarga da bateria sem consumir energia da bateria. O cartão de memória, por sua vez, armazenou os
dados e o relógio de tempo real foi o elemento responsável por marcar o horário de cada medição de tensão.
O cálculo dos valores de resistências a serem inseridos no circuito (Tabela 8) foi feito por meio de (1) utilizando a tensão do Arduino, 5V, e a corrente, em amperes, referente ao respectivo cenário, medido na seção 4.1.1.
𝑈 = 𝑅 × 𝑖
(1)
Tabela 7 Resistências equivalentes ao consumo dos cenários
Cenário A
Consumo (mAh) Resistência Equivalente (Ω)
170,3 29,4
Cenário B
Consumo (mAh) Resistência Equivalente (Ω)
85,2 58,7
Cenário C
Consumo (mAh) Resistência Equivalente (Ω)
34,1 146,8
Fonte: Própria (2019)
Tabela 8 Resistências comerciais utilizadas Resistências Valores (Ω)
R1 74,2
R2 14,7
A Figura 18 apresenta o esquema utilizado para os testes de simulação dos diferentes consumos.
Figura 18 Esquema da montagem (conexões) do circuito para teste da bateria do painel solar no cenário B. 1.Módulo cartão de memória Micro SD Card
Adapter. 2. Módulo relógio de tempo real RTC DS3231. 3 Placa Arduino MEGA 2560. 4.Protoboard. 5. Representação da bateria.
Fonte: Própria (2019)
4.1.3.1.2 Procedimento de testes
A realização dos testes foi feita baseada nos passos a seguir:
1ª Etapa: Carregar completamente o conjunto de baterias sem a utilização do painel solar, utilizando a cabo USB e conectando-a à tomada.
2ª Etapa: Uma vez estando a bateria completamente carregada, foi conectada ao circuito por meio do cabo adaptador, conectado a protoboard.
O Arduino neste teste foi utilizado como elemento observador da descarga da fonte, sendo assim deve ser conectado a uma fonte externa de energia, de forma que não consuma energia proveniente da bateria. A conexão foi feita por meio de cabo USB e adaptador em uma tomada.
3ª Etapa: Neste momento, mantém-se a medição de tensão de saída de fonte para o cenário correspondente, até que a bateria descarregue completamente. O Arduino foi programado de modo que os valores de tensão entregues ao circuito fossem computados em intervalos constantes de 2 segundos; dependendo da estimativa teórica de autonomia da bateria, o intervalo de tomada de medições pode ser maior, entre 30 segundos e 1 minuto.
4ª Etapa: O procedimento descrito foi seguido para os 3 cenários de consumo analisados, alterando-se as cargas de alimentação, simuladas pelo conjunto de resistências anteriormente definido.
Os testes foram repetidos diversas vezes a fim de identificar o comportamento do sistema de baterias e avaliar sua performance em campo.
4.1.3.3 Resultados
Após a análise dos primeiros resultados do monitoramento de descarga do sistema de baterias foram identificados sinais de instabilidade, o que pode impactar significativamente em sua performance de operação em campo e consequentemente ser um fator relevante na tomada de decisão.
4.1.3.1.3 Cenário A
O primeiro teste foi realizado para o circuito equivalente ao cenário A que corresponde ao maior consumo. A partir da análise da curva de descarga da bateria ao longo do tempo, observou-se que 27 minutos após o início das medições houve uma queda acentuada na tensão (Figura 19). Após esse período a tensão permaneceu dentro de uma faixa relativamente constante, chegando a um valor máximo de 4,95 V. O tempo de autonomia da bateria foi de 8h21min e, após esse período, a tensão entregue pela fonte se reduziu a cerca de 42% de sua tensão máxima. Nessas condições, a bateria entregaria ao sensor de incêndio uma corrente muito baixa de 69,46 mA, a qual não seria suficiente para mantê-lo em
funcionamento. O mesmo raciocínio foi seguido para a análise das demais curvas de descarga, e, o tempo de autonomia considerado, foi o período no qual o sistema de baterias seria capaz de gerar corrente suficiente para manter o protótipo em funcionamento.
A fim de confirmar o comportamento da bateria ao longo do tempo, foi feita uma nova medição (Figura 20). Não foram observados pontos muito discrepantes durante o período, indicando que, neste caso, a fonte apresentou um comportamento mais estável. A tensão máxima fornecida pela bateria chegou a 5V durante 17% do tempo de autonomia, comportamento interessante para que o funcionamento do conjunto de sensores ocorra de forma satisfatória durante a noite e em dias sem sol, evitando intermitência na operação do sistema.
Apesar disso, sua autonomia de 6h23min, considerando o consumo atual do sensor de incêndio será insuficiente para que o sistema permaneça ligado durante a noite inteira e em dias chuvosos mesmo que a bateria esteja 100% carregada.
Figura 19 Curva de descarga da bateria: Cenário A (29/10) Fonte: Própria (2019)
Figura 20 Curva de descarga da bateria: Cenário A (03/11) Fonte: Própria (2019)
4.1.3.1.4 Cenário B
A fim de determinar o tempo de descarga da bateria para o cenário B, ou seja, considerando que haja 50% de redução do consumo do sensor de incêndio, realizaram-se testes com o circuito de carga equivalente. Os dois primeiros testes realizados apresentaram comportamento similar, o que reforçou a suspeita de instabilidade do conjunto de baterias.
A curva de carga referente a primeira medição (Figura 21), feita no dia 30/10/2019, iniciou com uma faixa de tensão fornecida ao circuito instável e abaixo de 5V e apresentou uma queda acentuada de tensão, chegando a 0v, após cerca de 3h23min de funcionamento do sistema. Pode se observar que a queda apresentou o mesmo comportamento de descarga gradual encontrado anteriormente, descartando a hipótese de desconexão súbita da fonte do sistema. Após a descarga, a bateria voltou a fornecer tensão ao sistema por mais 34h com outras duas quedas menores, antes de descarregar completamente. A autonomia da bateria para o consumo foi de, no total, 37h.
Foi feita uma segunda medição nas condições do cenário B (Figura 22) na qual após 6 horas de funcionamento o sistema apresentou novamente uma queda acentuada da tensão, chegando a 0 V, e em seguida retomou o funcionamento por mais 29 horas, totalizando uma autonomia de 35h. A terceira medição feita (Figura 23) foi a que o sistema apresentou característica estável sem grandes alterações na tensão fornecida pela fonte, tendo sido o tempo de autonomia bastante inferior aos anteriores, 12h40min.
Figura 21 Curva de descarga da bateria: Cenário B (30/10) Fonte: Própria (2019)
Figura 22 Curva de descarga da bateria: Cenário B (03/11) Fonte: Própria (2019)
Figura 23 Curva de descarga da bateria: Cenário B (11/11) Fonte: Própria (2019)
4.1.3.1.5 Cenário C
O cenário C, por sua vez, apresentou curva de descarga relativamente estável e 34h28min de autonomia do sistema utilizando as baterias analisadas. O resultado do teste é observado na Figura 24.
Figura 24 Curva de descarga da bateria: Cenário C (02/11) Fonte: Própria (2019)
4.1.3.1.6 Análise das curvas de descargas e autonomia das baterias considerando os diferentes consumos
Assim como esperado, a autonomia de um mesmo sistema de baterias é inversamente proporcional ao consumo de energia da carga, ou seja, para maiores consumos foram encontrados menores tempos de descarga da fonte. Na Figura 25 são apresentados o ajuste dos resultados encontrados, excluídos os que representaram curva de descarga instável, de forma bastante satisfatória para a equação exponencial (2), uma vez que o valor de R² foi igual a 0,9381, indicando um bom ajuste dos resultados encontrados. Se as baterias forem utilizadas em outras aplicações, pode se estimar o valor de sua autonomia de forma mais precisa utilizando a equação, apenas o valor de consumo do sensor desejado.
𝑦 = 44,402 × 𝑒 −
0,012𝑥(2)
A Tabela 9 apresenta a autonomia das baterias considerando diferentes consumos e curvas de descarga estáveis.
Tabela 9 Tempo de descarga das baterias para diferentes consumos Cenário Consumo (mAh) Duração (h:min)
A 170,3 6:23
B 85,16 12:45
C 34,06 34:28
Fonte: Própria (2019)
Figura 25 Gráfico autonomia do sistema de baterias pelo consumo do sensor, para os diferentes cenários analisados
Fonte: Própria (2019)
4.1.4 Investigação da tensão real entregue pelo painel solar à carga e ao conjunto de baterias
De forma a complementar a análise anteriormente feita, foram realizados testes para avaliar a tensão entregue pelo painel solar para o sistema de baterias e cargas conectadas a ele.
A partir da sua realização será possível verificar se o painel em questão é capaz de segurar cargas conectadas a ele em funcionamento sem que a tensão fornecida caia de forma acentuada. Além disso será possível estimar o pico de tensão e corrente elétrica gerado por ele em situação de grande incidência solar e, posteriormente, verificar a potência real que a tecnologia entregará para o conjunto