O PPCI (Plano de Prevenção e Proteção Contra Incêndios) é um programa que visa proteger os ocupantes de espaços físicos como indústrias, escolas, hospitais, salas de comércio e prédios em geral, contra possíveis sinistros gerados pelo fogo. PPCI é um conjunto de ações a serem executadas pelo proprietário do espaço coletivo.
O PPCI é uma exigência legal, através do qual se torna possível a emissão do Alvará de Localização para instalações comerciais, industriais, diversões públicas e edifícios residenciais com mais de uma economia e mais de um pavimento.
A elaboração de um projeto PPCI requer um profissional habilitado capaz de definir, segundo normas específicas, os tipos de proteções necessárias, suas localizações, estabelecer rotas de fuga e etc.
Para edificações com área total de até 200 m², com grau de risco baixo ou médio, sem depósito ou áreas de manipulação de combustíveis, inflamáveis, explosivos ou substâncias com alto potencial lesivo à saúde humana, ao meio ambiente ou ao patrimônio, o PPCI é feito diretamente no computador e tem validade de 5 anos. Para as demais edificações, como centros comerciais, grandes edifícios, casas de festas, bares e casas noturnas, onde há reunião de público, os documentos são reunidos em uma pasta para apreciação do Corpo de Bombeiros e o tem validade de 3 anos.
Os equipamentos a serem instalados em cada edificação variam de acordo com a ocupação, tamanho e utilização. Porém, algumas são comuns e básicas, a todos:
x Extintores de incêndio; x Saídas de emergência; x Sinalização de emergência; x Iluminação de emergência; x Sprinklers;
Após entrar em contato com o Corpo de Bombeiros de Passo Fundo, definiu-se que não há um conjunto de normais ou Leis sobre dispositivos que tem a mesma proposta desse trabalho, e devido ao local de implementação do protótipo não ser um local público ou de uso coletivo, não houve a necessidade de implementação de um plano de prevenção e proteção contra incêndios para esse projeto. Porém, após esse estudo sobre PPCI nota-se que dispositivos de detecção de vazamentos de gás não são medidas obrigatórias para elaboração de PPCI em certos locais como, estabelecimentos comerciais (restaurantes, padarias, entre outros), edifícios residências e industrias, mesmo sendo dispositivos importantíssimos para prevenção de acidentes envolvendo vazamentos de gás. Por isso, um projeto como esse pode suprir essa lacuna de dispositivos de detecção de vazamentos de gases inflamáveis.
3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
O desenvolvimento do projeto foi dividido em duas partes, sendo elas Hardware e Firmware. A parte de Hardware cobre os componentes utilizados no projeto, assim como seu funcionamento e características. A parte de Firmware mostra a lógica de funcionamento do Firmware desenvolvido. Para facilitar a compreensão do funcionamento do projeto, foi desenvolvido um diagrama de blocos, que mostra as principais partes do projeto. A Figura 3.1 mostra o diagrama de blocos.
Figura 3.1: Diagrama de blocos
Fonte: Autoria própria (2018)
3.1 HARDWARE
O objetivo dessa seção é definir, demonstrar e justificar a escolha dos sensores e dispositivos envolvidos no projeto. A parte de Hardware é dividida em componentes principais como o sensor(es) de gás, microcontrolador, módulo GSM, memória eeprom, alarme local e válvula de gás.
3.1.1 Sensor de gás
O sensor de gás é responsável por fazer o sensoriamento e detecção de variação da concentração de gases no ambiente. Como foi visto no capitulo 2, existem diferentes tipos de sensores, com características distintas mas todos com o mesmo objetivo de proporcionar a detecção de gases no ar. Alguns sensores são específicos para um único gás e alguns podem detectar uma gama de gases que tem características parecidas. Isso pode mudar o preço e a disponibilidade do sensor no mercado.
Para fazer a detecção do gás GLP, foi usado o sensor MH-440D, que é um sensor de gás do tipo infravermelho, com base em gás metano. Esse sensor apresenta dois tipos de resposta de saída, são elas: saída analógica e digital. A resposta de saída digital pode ser obtida através de comunicação serial com o microcontrolador usando o protocolo UART, isso torna a medição mais segura devido a menor interferências e ruído. Também tem a saída analogia, que corresponde a uma variação de tensão no terminal de saída do sensor, conforme varia a concentração de gás no ambiente. As Figura 3.2 e 3.3 mostram o sensor utilizado e a resposta de saída analógica, respectivamente.
Figura 3.2: Sensor MH-440D.
Figura 3.3: Resposta de saída analógica do sensor MH-440D.
Fonte: Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co. (2014)
A resposta de saída do sensor varia de 0.4V a 2V, o que equivale a uma concentração de 0%vol até a escala máxima do sensor. A escala máxima é opcional e pode ser escolhida na hora da compra. Existem 3 escalas disponíveis para o sensor, são elas: 5%vol, 10%vol ou até 100%vol. Para o projeto foram utilizados dois sensores, ambos com uma escala de 0% a 10%Vol. Como o gás GLP é formado basicamente de butano e propano, e esses gases tem seu limite inferior de inflamabilidade baixo, os sensores 10%vol serão suficientes para fazer o sensoriamento.
A saída dos sensores de gás é constantemente monitorada pelo microcontrolador e processada para que seja obtida a concentração de gás no ambiente.
A partir do gráfico da saída analógica do sensor e da equação de reta (1) é possível calcular a concentração da saída analógica:
ݕ ൌ ݉ ൈ ݔ ݊Ǣ (1) ݉ ൌ οݕ οݔ ൌ ݕെ ݕ ݔെ ݔ Onde:
x m é o coeficiente angular (inclinação) da reta;
x n é o ponto de intersecção da reta com o eixo y (deslocamento no eixo y), que é igual a 0.4 pela curva de saída do sensor mostrada na Figura 3.3;
x x é a variável independente da função y = f(x);
x ο࢟ é a variação entre dois pontos do eixo y (ponto final e ponto inicial); x ο࢞ é a variação entre dois pontos do eixo x (ponto final e ponto inicial);
Logo:
݉ ൌ ʹ െ ͲǤͶ
ͳͲ െ Ͳ ൌ ͲǤͳ ݕ ൌ ͲǤͳ ൈ ݔ ͲǤͶ
Sendo x = %vol de concentração e y = Tensão em Volts (V):
Ψݒ݈ ൌܸ െ ͲǤͶ ͲǤͳ
Como pode ser visto, a concentração é diretamente proporcional à tensão na saída do sensor, ou seja, conforme aumenta a concentração de gás no ambiente, a tensão de saída aumenta, e a partir da equação é calculada a concentração.
Para obter a concentração pela saída digital do sensor, é utilizado o protocolo de comunicação serial UART. Os comandos utilizados para ler a concentração e calibrar o sensor podem ser vistos no Quadro 3.1:
Quadro 3.1: Comandos UART para o sensor HMH-440D
Comando Descrição
0x86 Comando enviado para ler a concentração
0x87 Calibrar o ponto “zero” do sensor
Fonte: Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co. (2014)
O sensor é configurado para uma taxa de 9600bps. A comunicação UART é de 8 bits de dados, com 1 bit de stop. Cada processo de envio e recebimento de dados incluem 9 bytes, sendo o primeiro byte de start, e no caso de envio de dados para o sensor, o segundo byte é o número do sensor, que por padrão de fábrica é 0x01. O último byte é o checksum (soma de verificações), que já é dado na folha de dados do componente.
Ao ligar o sensor, é necessário calibrar o ponto zero, para isso, o sensor é colocado em um ambiente livre de qualquer concentração de gás inflamável e então o comando 0x87 é enviado pela UART, como por ser visto no quadro 3.2.
Quadro 3.2: Comando para calibração de ponto zero. Calibrando ponto “zero”
Byte0 Byte1 Byte2 Byte3 Byte4 Byte5 Byte6 Byte7 Byte8 Start bit Sensor
no.
Comando - - - Soma de verificações 0xFF 0x01 0x87 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x78
Fonte: Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co. (2014)
Para ler a concentração de gás, o comando 0x86 é enviado através da UART para o sensor. O processo de envio do comando para leitura, e o recebimento do valor de concentração podem ser vistos nos Quadros 3.3 e 3.4 respectivamente.
Quadro 3.3: Comando para leitura da concentração de gás. Enviando comando
Byte0 Byte1 Byte2 Byte3 Byte4 Byte5 Byte6 Byte7 Byte8 Start bit Sensor
no.
Comando - - - Soma de verificações 0xFF 0x01 0x86 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x79
Fonte: Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co. (2014)
Quadro 3.4: Resposta do sensor. Resposta do sensor
Byte0 Byte1 Byte2 Byte3 Byte4 Byte5 Byte6 Byte7 Byte8 Start bit Comando Concentração (HIGH) Concentração (LOW) - - - - Soma de verificações 0xFF 0x86 0xXX 0xXX 0x47 0x00 0x00 0x00 0xD1
Fonte: Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co. (2014)
A valor da concentração que o sensor devolve para o micro é dividido em nove bytes, desses nove, os que realmente são valores de concentração são os byte2 e byte3, sendo o byte2 o mais significativo (High) e o byte3 o menos significativo (Low). Para juntar os dois bytes e obter o valor da concentração é necessário fazer a seguinte operação:
Para obter a concentração em porcentagem (%vol) é necessário dividir o valor da concentração obtido anteriormente por 100, da seguinte forma:
Ψݒ݈ ൌܥ݊ܿ݁݊ݐݎܽ ͳͲͲ
Assim, é obtido o valor final da concentração de gás através da UART, esse valor varia de 0% até a escala máxima do sensor, que é de 10%vol.
Como o sensor MH-440D é referenciado para gás metano, é necessário fazer uma compensação para medir diferentes tipos de gases. No caso de GLP, é constituído predominantemente de propano e butano, sendo o %LII do propano de 2.1% e do butano de 1.86%. Logo, como o butano apresenta um limite inferior de inflamabilidade mais baixo, o sensor foi compensado para medir butano.
Para fazer a compensação, é necessário dividir o %LII do metano pelo valor de %LII do gás que está sendo mensurado e depois multiplicar pelo valor lido do sensor. A equação a seguir (2) mostra essa compensação para o gás butano.
ܸ݈ܽݎܿ݉݁݊ݏܽ݀ ൌ ͷሺΨܮܫܫ݀݉݁ݐܽ݊ሻ
ͳǤͺሺΨܮܫܫܾ݀݁ݑݐܽ݊ሻൈ ܥ݊ܿ݁݊ݐݎܽ ܾݐ݅݀ܽ݀ݏ݁݊ݏݎ
(2)
Assim, com o valor de concentração compensado o sistema foi programado para disparar o alarme no momento que a concentração atingir o limite inferior de inflamabilidade do butano, 1.86%vol.
Para fazer a ligação do sensor com o micro, foi utilizado um cabo de rede Ethernet, pois esse cabo é encontrado facilmente e devido a sua construção, apresenta pouquíssimas perdas no sinal. Foi testado uma comunicação de até 15m de cabo entre o sensor e o micro e não notou- se perdas na comunicação, tanto na saída analógica quanto na comunicação UART.
Utilizando a porta UART-USB do micro controlador e também o monitor serial do software de programação, foi possível visualizar os dados obtidos do sensor, como a resposta que o sensor envia para o micro através da UART, a leitura do canal AD, a tensão na saída analógica do sensor, e a concentração da saída analógica e da saída digital. A Figura 3.4 mostra a visualização dos valores do sensor através do terminal serial USB.
Figura 3.4: Visualização dos valores do sensor no monitor serial USB.
Fonte: Autoria própria (2018)
Também pode-se calcular a resolução da saída UART e da saída analógica (considerando que microcontrolador tem um canal AD de 12 bits e uma faixa dinâmica de 3.3V):
ܴ݁ݏ݈ݑ ܷܣܴܶ ൌͳͲΨ
ʹ଼ ൌ ͲǤͲ͵ͻͲΨ
ܴ݁ݏ݈ݑ ܣܦ ൌ͵Ǥ͵ܸ
ʹଵଶ ൌ ͲǤͲͲͲͺ ൌ ͲǤͺܸ݉
A resolução do da saída AD é muito melhor, devido ao canal AD ser de 12 Bits, enquanto a saída UART do sensor tem uma resposta de 8 Bits, isso torna a saída AD mais precisa.
Para indicar o funcionamento correto dos sensores de gás, foram utilizados dois Leds. Os Leds ficam ligados quando o sensor está comunicando normalmente com o micro através da UART (para a saída digital) e quando a tensão de saída do sensor é maior que 0.2V (para a saída analógica), pois uma tensão de saída de 0.2V indica falha no sensor. Assim, as duas saídas são monitoradas, e se estiverem funcionando normalmente, o Led indicador fica acesso.
3.1.2 Microcontrolador
O microcontrolador é responsável por receber os sinais de saída dos sensores, processá- los, e tomar as decisões necessárias para notificar o usuário, caso seja necessário. Além disso, o micro também controla todos os dispositivos periféricos envolvidos no projeto.
Um dos principais fatores para a definição do micro controlador foi a quantidade de portas de comunicação serial disponíveis. Como o modulo GSM e os sensores infravermelhos de gás trabalham com protocolo UART, eram necessárias pelo menos 3 portas seriais desse protocolo especifico. Além disso, foram necessárias algumas portas AD e portas I/O para algumas outras aplicações.
Devido a todos esses fatores, o microcontrolador escolhido para o projeto foi o Tiva C TM4C123G da Texas Instruments, o qual pode ser visto na Figura 3.5.
Figura 3.5: Microcontrolador Tiva C TM4C123G.
Fonte: Texas Instruments Incorporated (2013).
Algumas das principais características desse microcontrolador são: x Frequência de operação de 80MHz;
x Memória Flash de 256KB; x Memória SRAM de 32KB; x Memória EEPROM de 2KB; x 8 UART;
x 6 I2C; x 4 SPI;
O Quadro 3.5 mostra a relação de todos os recursos do micro utilizados no protótipo e também mostra onde cada terminal foi utilizado.
Quadro 3.5: Recursos do microcontrolador que foram utilizados.
Pino do microcontrolador Utilização
PB7 Porta de saída para acionamento da válvula
de gás
PD2 Porta de saída para acionamento da Fita
LED
PD3 Porta de saída para acionamento da Sirene
PC6, PC7 RX e TX para comunicação UART com o
GSM
PA6 e PA7 SCL e SDA para comunicação I2C com a
memória EEPROM externa
PA2 Porta de saída para acionamento do Led
indicador do sensor de gás 1
PA3 Porta de saída para acionamento do Led
indicador do sensor de gás 2
PE3 Porta de saída para acionamento do Led
indicador liga/desliga do protótipo
PB0 e PB1 RX e TX para comunicação UART do
sensor de gás 1
PD0 Canal AD para o sensor de gás 1
PD6 e PD7 RX e TX para comunicação UART do
sensor de gás 2
PD1 Canal AD para o sensor de gás 2
GND Terminal de referência para o circuito
3.1.3 GSM
O modulo GSM é responsável por notificar o usuário, por meio de uma mensagem de texto, caso ocorra a detecção de uma alta concentração de gás inflamável no ambiente.
Algumas características importantes na escolha do modulo GSM foram o preço e também o suporte para operação nas frequências de telefonia móvel do Brasil (900MHz/1800MHz). O modelo escolhido para o projeto foi o SIM800L, como pode ser visto na Figura 3.6. O SIM800L é um modulo GSM/GPRS quad-band, que trabalha nas frequências de (850 MHz /900 MHz /1800 MHz /1900 MHz). Além disso, pode ser configurado para comunicação serial UART, SPI ou I2C. Também foi necessário conectar uma antena especifica para comunicação GSM no módulo GSM, para que melhorasse a qualidade do sinal da rede. A antena pode ser vista na Figura 3.7.
Figura 3.6: Módulo GSM SIM800L.
Fonte: Layadcircuits (2018)
Figura 3.7: Antena para módulo GSM.
A comunicação serial escolhida para ser utilizada entre o micro controlador e o módulo foi a serial UART, devido a facilidade de programação. O modulo foi configurado para operar a uma velocidade de 9600bps e foram utilizados comandos AT para comunicação entre o módulo e o micro.
O quadro 3.6 mostra alguns dos comandos AT mais utilizados para esse tipo de aplicação.
Quadro 3.6: Comandos AT básicos.
Comando Definição
AT Teste de conexão
AT+CMGF=1 Modo SMS
AT+CMGS=”+55***********” Envio de SMS
ATDP+55*********** Faz ligação
ATA Atende ligação
Fonte: Adaptado de Simcom (2015)
Nos testes iniciais foram utilizados os comandos para teste de conexão e envio de SMS, os quais se mostraram muito simples e eficientes. Utilizando a porta UART-USB do micro controlador e também o monitor serial do software de programação, foi possível estabelecer uma comunicação entre o modulo GSM e o telefone celular, com envio e recebimento de SMS de ambos os dispositivos. A Figura 3.8 mostra um screenshot tirado do aparelho celular após os testes com o módulo GSM. Nos testes foi definido uma senha padrão como “1234” aonde o módulo GSM só responderia caso recebesse um SMS com a senha correta.
Após isso, foi desenvolvido mais uma parte da programação para que quando o GSM recebesse uma mensagem, também fosse possível ler o conteúdo da mensagem e o número que a enviou.
Para isso, foi criado um vetor de caracteres que recebe todas as informações que estão no buffer do módulo quando chega uma mensagem de texto, essas informações incluem a mensagem de texto em si, o número que a enviou e também a data e hora. Logo após, essas informações foram separadas para obter o número que estava enviando a mensagem pro GSM. Isso foi importante para poder cadastrar o número para qual o GSM manda uma mensagem quando um vazamento é detectado. Quando um número envia uma mensagem para o módulo contendo a senha correta, o programa lê qual é o número que mandou a mensagem e posteriormente grava esse número em uma memória EEPROM, assim quando o GSM precisa
mandar uma mensagem de alerta de vazamento, o número para qual a mensagem será enviada já está gravado na EEPROM e caso haja uma falta de energia elétrica, o número gravado não é perdido. Desse modo foi possível descartar um teclado e display para fazer o cadastramento do número.
Figura 3.8: Testes com o módulo GSM.
Fonte: Autoria própria (2018).
Após isso foi desenvolvido um circuito para indicar o sinal da rede do módulo GSM. O módulo já tem um Led que indica o funcionando e também a qualidade do sinal da rede de celular, mas esse Led é muito pequeno e fica soldado no módulo GSM, o que dificulta a visualização. Esse Led indicador pode piscar de várias formas, indicando diferentes estados dos módulos. O Quadro 3.7 mostra esses diferentes estados do Led indicador do módulo.
Quadro 3.7: Estados do Led indicador do módulo.
Condição Comportamento do módulo GSM
Led desligado Módulo desligado
Led ligado por 64ms, desligado por 800ms Módulo ligado mas sem rede Led ligado por 64ms, desligado por 2000ms Módulo ligado e conectado à rede
Led ligado por 64ms, desligado por 300ms Comunicação GPRS estabelecida
Fonte: Simcom (2015).
Para acionar um Led maior a partir do sinal do Led indicador do modulo, foi utilizado um circuito que foi encontrado na folha de dados do modulo e já é o circuito recomendado pelo fabricante para essa função. A Figura 3.9 mostra o circuito para acionamento do Led a partir do sinal do Led indicador do modulo. Quando o Led indicador do módulo liga, então essa tensão do Led indicador vai para a base do transistor, que engatilha o transistor e faz com que a tensão de coletor-emissor (Vce) do transistor seja 0V, o que leva o coletor para o mesmo potencial do terra, então o Led externo é ligado, permanecendo ligado enquanto o Led indicador do módulo também está ligado. No momento que o Led indicador do módulo se desliga, então a tensão da base do transistor é de 0V e o transistor abre o canal coletor-emissor, o que impede a passagem de corrente entre o coletor e emissor, desligando o Led externo. Assim, foi possível colocar um Led maior para indicação do funcionamento do módulo, o que melhorou bastante a visibilidade.
Figura 3.9: Circuito para acionamento do Led a partir do sinal do Led indicador do modulo.
3.1.4 Válvula solenoide de gás
Tão importante quanto fazer a detecção de um vazamento, é tomar uma ação para que o vazamento seja eliminado. Para isso, foi utilizado uma válvula solenoide de gás diretamente no botijão de gás GLP. Ao detectar um vazamento, a válvula se fecha e corta a alimentação de gás, impedindo que o vazamento continue.
Foi utilizada uma válvula de gás 24V. Essa válvula permite a passagem de gás enquanto estiver energizada, e bloqueia a passagem de gás quando está sem alimentação. O acionamento da válvula é feito com um MOSFET. O circuito de acionamento da válvula pode ser visto na Figura 3.19. A Figura 3.11 mostra a válvula instalada no botijão.
Figura 3.10: Circuito de acionamento da válvula de gás.
Fonte: própria autoria (2018).
Figura 3.11: Válvula instalada no botijão.
3.1.5 Memória EEPROM
Para cadastrar e salvar o número para qual o módulo GSM manda as mensagens, foi utilizado uma memória EEPROM. Inicialmente foi feito a tentativa de utilizar a memória EEPROM interna no microcontrolador, mas devido a alguns problemas na programação, não foi possível utilizar a EEPROM interna. O software utilizado para fazer toda a programação do protótipo foi o Energia. Alguns erros de compilação foram detectados pelo Energia em todas as tentativas de programar à EEPROM interna do micro. Foram utilizadas inúmeras bibliotecas diferentes mas o problema persistiu e sempre dava erro de biblioteca na hora de tentar compilar o programa. Por isso, acabou sendo utilizada uma EEPROM externa 24LC256. É uma memória EEPROM de 256Kbit compatível com comunicação serial I2C. As Figuras 3.12 e 3.13 mostram o componente e a nomenclatura dos terminais, respectivamente.
Figura 3.12: EEPROM 24LC256.
Fonte: própria autoria (2018).
Figura 3.13: Nomenclatura dos terminais da EEPROM.
Fonte: Microchip Technology Inc. (2004).
Os terminais A0, A1 e A2 são utilizados para determinar o endereço do componente para o protocolo I2C. Os terminais VCC e VSS são para alimentação, os terminais SCL e SDA são para comunicação serial I2C e o ci ainda tem um pino WP para proteção de escrita na memória. A Figura 3.14 mostra o circuito utilizado para o funcionamento da memória EEPROM.
Figura 3.14: Ligação da EEPROM.
Fonte: própria autoria (2018).
Foram utilizados resistores de Pull-Up nos terminais de comunicação serial. O terminal WP é aterrado para que a gravação no ci seja liberada.
Para fazer o endereçamento do dispositivo, os pinos A0, A1 e A2 devem ser ligados no terra ou VCC, assim é são obtidos 8 endereços diferentes, logo é possível utilizar 8 dispositivos