Protótipo para detecção de vazamentos de gás GLP

Texto

(1)UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO. Jean Rodrigo Mello Severo. PROTÓTIPO PARA DETECÇÃO DE VAZAMENTOS DE GÁS GLP. Passo Fundo 2018.

(2) Jean Rodrigo Mello Severo. PROTÓTIPO PARA DETECÇÃO DE VAZAMENTOS DE GÁS GLP. Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, da Faculdade de Engenharia e Arquitetura, da Universidade de Passo Fundo, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista, sob orientação do professor Dr. Carlos Alberto Ramirez Behaine. Passo Fundo 2018.

(3) Jean Rodrigo Mello Severo. Protótipo para detecção de vazamentos de gás GLP. Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, da Faculdade de Engenharia e Arquitetura, da Universidade de Passo Fundo, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista, sob orientação do professor Dr. Carlos Alberto Ramirez Behaine. Aprovado em ____ de ______________ de______.. BANCA EXAMINADORA. _______________________________________________________________ Prof. Dr. Orientador Carlos Alberto Ramirez Behaine - UPF. _______________________________________________________________ Prof. Me. Amauri Fagundes Balotin - UPF. _______________________________________________________________ Prof. Dr. Eduardo Appel - UPF.

(4) AGRADECIMENTOS. Meus mais sinceros agradecimentos a José, Eduardo, Guilherme, Rafael e demais colegas de curso, pelo grande apoio e amizade. Agradeço também ao Prof. Dr. Carlos Alberto Ramirez Behaine pela orientação durante todo o trabalho. Ao corpo de bombeiros de Passo Fundo e a empresa BSBIOS, pela ajuda e assistência durante o projeto. E finalmente, agradeço a meus pais e familiares pelo apoio ao longo de toda minha vida..

(5) “I never go back on my word! That’s my ninja way”. Uzumaki Naruto.

(6) RESUMO. Atualmente, gases inflamáveis são utilizados diariamente em industrias e residências para diversos fins. Logo, vazamentos ocasionais de gás podem ocorrer e são um perigo em potencial para a vida humana. Acidentes em todo o mundo, envolvendo asfixia, intoxicação, explosões e incêndios, são um lembrete desse problema. Vazamentos de substancias inflamáveis tornaram-se uma das principais causas de incêndios no Brasil. Por isso, um sistema automático de detecção de vazamentos de gás é fundamental para a proteção de pessoas e patrimônios. Este trabalho cobre o desenvolvimento de um sistema inteligente que detecta vazamentos de gás inflamável GLP no ambiente residencial e que também notifica o usuário quando alguma ameaça é encontrada. Para isso, foram usados sensores de gás, junto de um microcontrolador que monitora constantemente os sensores e ao detectar algum vazamento, aciona um alarme no local e outro alarme remoto através de um modulo GSM, que envia mensagens de alerta para as pessoas responsáveis pelo local, para que a ameaça seja eliminada o mais rápido possível.. Palavras-Chave: Sensores, gases, vazamento, alarme, remoto, incêndio..

(7) ABSTRACT. Nowadays, flammable gases are used daily in industries and homes for various purposes. Therefore, occasional gas leakages might occur and are a potential threat to human life. The accidents around the world, involving asphyxiation, intoxication, explosions and fires, are a reminder of this problem. The leakages of flammable substances have become one of the main causes of fires in Brazil. For this reason, an automatic gas leakage detection system is primordial for the protection of people and assets. This project covers the development of an intelligent system that detects LPG flammable gas leaks in the residential environment and notifies the user when a threat is detected. Therefore, a few gas sensors were used, together with a microcontroller that constantly monitors the sensors and when it detects a leakage, it triggers an on-site alarm and another remote alarm through a GSM module, which sends warning messages to the people responsible for the place, so that the threat is eliminated as soon as possible.. Keywords: Sensors, gases, leakages, alarm, remote, fire..

(8) LISTA DE ILUSTRAÇÕES. Figura 2.1– Triângulo de fogo. 15. Quadro 2.1 – Efeito e sintomas do monóxido de carbono no corpo humano. 19. Figura 2.2 – Representação dos limites de explosividade. 20. Quadro 2.2 – Limites de explosividade de algumas substâncias. 21. Figura 2.3 – Ocorrência de incêndio no mundo no ano de 2010. 25. Quadro 2.3 – Mortes em incêndios em algumas cidades do mundo. 25. Figura 2.4 – Ponte Wheatstone do sensor catalítico. 27. Figura 2.5 – Curva do tempo de resposta de um sensor catalítico. 28. Figura 2.6 – Sensor infravermelho. 29. Figura 2.7 – Aplicação do sensor Open Path. 30. Quadro 2.4 – Vantagens e desvantagens dos sensores. 31. Figura 2.8– Exemplo de aplicação de um sistema de detecção de gás. 32. Figura 2.9 – GSM shield para arduino vista de cima. 34. Figura 2.10 – GSM shield para arduino vista de baixo. 34. Figura 2.11 – Configuração básica de um microcontrolador. 35. Figura 2.12 – Transmissão UART. 36. Figura 2.13 – Comunicação SPI. 38. Figura 2.14 – Típico barramento I2C. 38. Figura 2.15 – Comunicação I2C. 39. Figura 3.1 – Diagrama de blocos. 41. Figura 3.2 – Sensor MH-440D. 42. Figura 3.3– Resposta de saída analógica do sensor MH-440D. 43. Quadro 3.1 – Comandos UART para o sensor HMH-440D. 44. Quadro 3.2 – Comando para calibração de ponto zero. 45. Quadro 3.3 – Comando para leitura da concentração de gás. 45. Quadro 3.4 – Resposta do sensor. 45. Figura 3.4 – Visualização dos valores do sensor no monitor serial USB. 47. Figura 3.5 – Microcontrolador Tiva C TM4C123G. 48. Quadro 3.5 – Recursos do microcontrolador que foram utilizados. 49. Figura 3.6 – Módulo GSM SIM800L. 50. Figura 3.7 – Antena para módulo GSM. 50.

(9) Quadro 3.6 – Comandos AT básicos. 51. Figura 3.8 – Testes com o módulo GSM. 52. Quadro 3.7 – Estados do Led indicador do módulo. 53. Figura 3.9 – Circuito para acionamento do Led a partir do sinal do Led indicador do modulo. 53. Figura 3.10 – Circuito de acionamento da válvula de gás. 54. Figura 3.11 – Válvula instalada no botijão. 54. Figura 3.12 – EEPROM 24LC256. 55. Figura 3.13 – Nomenclatura dos terminais da EEPROM. 55. Figura 3.14 – Ligação da EEPROM. 56. Figura 3.15 – Endereço da EEPROM. 56. Figura 3.16 – Comunicação I2C da EEPROM. 57. Figura 3.17 – Fita LED RGB. 58. Figura 3.18 – Sirene utilizada no projeto. 58. Figura 3.19 – Conector Fita LED RGB. 59. Figura 3.20 – Circuito de acionamento da sirene. 59. Figura 3.21 – Circuito de acionamento do sinal luminoso. 60. Figura 3.22 – Regulador de tensão variavel LM2596. 61. Figura 3.23 – Esquema de alimentação do projeto. 61. Quadro 3.8 – Custo aproximado do projeto. 62. Figura 3.24 – Fluxograma do firmware. 63. Figura 4.1 – Teste de comparação com equipamento comercial. 64. Figura 4.2 – Teste de comparação com equipamento comercial (imagem mais aproximada). 65. Quadro 4.1 – Cálculos de erros gerados pelas saídas dos sensores. 66. Quadro 4.2 – Cálculos de erros gerados pelas saídas dos sensores após correção do atraso. 67. Figura 4.3 – Comparação entre sinal de referência e as saídas do sensor. 68. Figura 4.4 – Levantamento de curvas dos sensores. 69. Figura 4.5 – Definição das bocas do fogão. 70. Quadro 4.3 – Testes de vazamento com o fogão. 70. Figura 4.6 – Layout da PCI desenvolvida. 72. Figura 4.7 – PCI pronta. 72. Figura 4.8 – Protótipo final no local de monitoramento. 73. Figura 4.9 – Protótipo por dentro. 74. Figura 4.10 – Proteção do sensor com borracha anti estatica. 75. Figura 4.11 – Acabamento final do sensor. 75.

(10) LISTA DE ABREVIATURAS. 3G – Terceira Geração 4G – Quarta Geração BR – Taxa de Baud GLP – Gás Liquefeito de Petróleo GNV – Gás Natural Veicular GPRS – General Packet Radio Service GSM – Global System for Mobile Communication I2C – Inter-integrated Circuit IR – Infravermelho LEL – Limite Inferior de Explosividade LIL – Limite Inferior de Inflamabilidade LTE – Long Term Evolution MSE – Mean Square Error NDIR – Infravermelho Não Dispersivo PPM – Partes Por Milhão PWM – Modulação por Largura de Pulso SIM – Subscriber Identity Module SMS – Serviço de Mensagens Curtas SPI – Serial Peripheral Interface UART – Receptor/Transmissor Universal Assíncrono PPCI – Plano de Prevenção e Proteção Contra Incêndios.

(11) SUMÁRIO. 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 13 1.1 CONTEXTO....................................................................................................................... 13 1.2 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 14 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ....................................................................................... 14 2 REVISÃO DA LITERATURA .......................................................................................... 15 2.1 ESTUDO SOBRE COMBUSTÃO .................................................................................... 15 2.1.1 Combustível.................................................................................................................... 15 2.1.2 Comburente.................................................................................................................... 16 2.1.3 Calor ............................................................................................................................... 17 2.1.4 Tipos de combustão ....................................................................................................... 17 2.2 ESTUDO SOBRE GASES ................................................................................................. 19 2.2.1 Inflamabilidade de gases ............................................................................................... 19 2.2.2 Aplicações dos gases ...................................................................................................... 21 2.2.2.1 Aplicações na indústria ................................................................................................ 21 2.2.2.2 Aplicações em residências ............................................................................................ 22 2.2.3 Gases hidrocarbonetos .................................................................................................. 23 2.2.4 O gás Natural .................................................................................................................. 23 2.3 RISCOS DE INCÊNDIOS ................................................................................................. 24 2.3.1 Classificação dos incêndios ........................................................................................... 26 2.4 SENSORES DE GÁS ......................................................................................................... 27 2.4.1 Sensor catalítico ............................................................................................................. 27 2.4.1.1 Velocidade de resposta ................................................................................................. 28 2.4.2 Sensor infravermelho .................................................................................................... 29 2.4.3 Sensor infravermelho de caminho aberto (Open Path) ............................................. 30 2.4.4 Posicionamento dos sensores ........................................................................................ 31.

(12) 2.5 COMUNICAÇÃO DE TELEFONIA MÓVEL ................................................................. 32 2.5.1 GSM ................................................................................................................................ 33 2.5.1.1 Comandos AT ............................................................................................................... 34 2.6 MICROCONTROLADORES ............................................................................................ 35 2.7 COMUNICAÇÃO SERIAL ............................................................................................... 36 2.7.1 Comunicação serial assíncrona .................................................................................... 36 2.7.1.1 UART ............................................................................................................................ 36 2.7.2 Comunicação serial síncrona ........................................................................................ 37 2.7.2.1 Serial Peripheral Interface (SPI) ................................................................................. 37 2.7.2.2 Inter-integrated Circuit (I2C)....................................................................................... 38 2.8 PLANO DE PREVENÇÃO E PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIOS .............................. 39 3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ........................................................................... 41 3.1 HARDWARE ..................................................................................................................... 41 3.1.1 Sensor de gás .................................................................................................................. 42 3.1.2 Microcontrolador........................................................................................................... 48 3.1.3 GSM ................................................................................................................................ 50 3.1.4 Válvula solenoide de gás ............................................................................................... 54 3.1.5 Memória EEPROM ....................................................................................................... 55 3.1.6 Alarme local ................................................................................................................... 58 3.1.7 Fonte de alimentação ..................................................................................................... 60 3.1.8 Custo do protótipo ......................................................................................................... 61 3.2 FIRMWARE....................................................................................................................... 62 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................................ 64 4.1 TESTES REALIZADOS .................................................................................................... 64 4.2 PROTÓTIPO FINAL ......................................................................................................... 71 5 CONCLUSÕES.................................................................................................................... 76 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 77.

(13) 6 Bibliografia ........................................................................................................................... 77 7 APÊNDICE A – ESQUEMA ELÉTRICO COMPLETO ................................................ 81 8 APÊNDICE B – SCRIPT DO OCTAVE PARA CALCULOS DE ERROS E LEVANTAMENTO DE CURVAS ....................................................................................... 82 9 APÊNDICE C – SCRIPT PARA TESTES E LEVANTAMENTO DAS CURVAS DE SAIDA DO SENSOR .............................................................................................................. 84 10 ANEXO A – ATESTADO DE CALIBRAÇÃO DO EQUIPAMENTO DE REFERÊNCIA ........................................................................................................................ 86.

(14) 13. 1 INTRODUÇÃO. 1.1 CONTEXTO. Gases inflamáveis são substâncias que, ao reagirem com gás oxigênio (O2(g)), e na presença de uma fonte de ignição, entram em combustão. A combustão é uma reação rápida entre o gás oxigênio (O2(g)) e os constituintes de um combustível, com a produção de luz e calor. (GARCIA, 2013). O monitoramento de áreas críticas e implantação de sistemas de detecção de vazamentos se tornaram peças chave nas industrias em função dos riscos envolvidos nas atividades industriais. Os processos industriais envolvem cada vez mais a utilização e fabricação de substâncias altamente perigosas, como gases inflamáveis e combustíveis. Inevitavelmente vazamentos de gás ocorrem, o que cria um risco potencial para todas as pessoas envolvidas no processo. Por isso, na maioria das industrias, uma das partes mais importantes no plano de segurança para reduzir os riscos são os dispositivos de alerta precoce, tais como os detectores de gás. Esses dispositivos podem ajudar a dar tempo para tomar decisões corretivas ou protetoras. Sistemas de segurança como esses, podem ser implementados em qualquer lugar onde exista o perigo de vazamento de gás, inclusive em residências. O Brasil ocupa o terceiro lugar no ranking mundial de mortes por incêndio. Em 2015, foram contabilizadas 1349 ocorrências de incêndio, uma média de 112 por mês, enquanto o Sistema de Informações sobre Mortalidade do SUS registrou 1051 mortes por incêndio ou exposição a fumaça. Em 2016, o corpo de bombeiros do Rio de Janeiro atendeu cerca de 2090 chamados referentes a incêndios causados por vazamentos de gás, em residências e em estabelecimentos comerciais. Tratam-se de dados alarmantes, que estão relacionados com a fragilidade dos sistemas de proteção contra incêndio e falta de proteção. Estar em terceiro lugar no ranking mundial de mortes por incêndio é motivo para reflexão e ação. Logo, a implantação de um sistema de detecção de vazamentos de gás é de suma importância. (INSTITUTO SPRINKLER BRASIL, 2015)..

(15) 14. 1.2 OBJETIVOS. O objetivo principal desse trabalho é definido por: x. Desenvolver um sistema eletrônico, que seja capaz de detectar vazamentos de gás GLP. (gás liquefeito de petróleo) em um ambiente residencial (que será a minha residência), e que notifique as pessoas responsáveis pelo local por meio de um alarme sonoro local e um alarme remoto por mensagens de celular.. Para que o objetivo principal seja atingido, outros objetivos específicos foram definidos: x. Fazer a detecção de vazamentos de gás GLP.. x. Desenvolver o alarme local no ambiente que está sendo monitorado.. x. Desenvolver o alarme remoto através de mensagens SMS.. 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO. Esse trabalho é composto por cinco capítulos, os quais foram desenvolvidos durante todo o trabalho. Os capítulos são: x. Capítulo 2: Apresenta a revisão de literatura relacionada aos assuntos do trabalho, como. os estudos dos gases inflamáveis, combustão, incêndios, sensores de gás, protocolos de comunicação sem fio, microcontroladores. x. Capítulo 3: Capitulo utilizado para mostrar o desenvolvimento do projeto em si, é onde. foi desenvolvida a solução para o problema proposto. x. Capítulo 4: Esse capítulo é reservado para a aplicação de testes práticos com diferentes. parâmetros, obtenção de resultados e desenvolvimento de um protótipo final. x. Capítulo 5: Capítulo utilizado para as considerações finais obtidas durante o. desenvolvimento do trabalho e conclusões..

(16) 15. 2 REVISÃO DA LITERATURA. 2.1 ESTUDO SOBRE COMBUSTÃO. A combustão é a reação química entre dois agentes, o comburente, normalmente gás oxigênio (O2(g)), e o combustível, em proporções satisfatórias, provocada por um terceiro agente, o calor. Caracteriza-se por alta velocidade de reação e pelo grande desprendimento de luz e calor. Os três agentes formam o conhecidíssimo triângulo de fogo, como visto na Figura 2.1, sendo denominados “elementos essenciais do fogo”. Isso quer dizer que se faltar um deles, não haverá fogo. (SILVA FILHO, 1999). A combustão é um fenômeno que envolve reações químicas bastante complexas, consistindo de vários estágios, que ocorrerão em maior ou menor extensão dependendo de vários fatores. Esses fatores são: o combustível, o grau de mistura com o oxigênio, a temperatura a que é submetida a mistura, entre outros. (GARCIA, 2013).. Figura 2.1: Triângulo de fogo. Fonte: Silva Filho (1999).. 2.1.1 Combustível. É tudo que é passível de entrar em combustão. Normalmente são conhecidos como combustíveis as substância que queimam na atmosfera, usando normalmente o gás oxigênio (O2(g)), como comburente. O combustível é responsável pela propagação e alimentação do incêndio. (GARCIA, 2013). O combustível pode ser encontrado nos três estados de agregação da matéria: x. Sólido: Carvão, madeira, pólvora, papel, tecidos, alguns metais;. x. Liquido: Gasolina, álcool etílico, querosene, acetona, óleo diesel;.

(17) 16. x. Gasoso: Metano, butano, propano, gás de cozinha; Nos combustíveis sólidos ou líquidos, o que realmente queimam são os gases que são. liberados deles no momento da combustão. (SILVA FILHO, 1999). Os combustíveis também podem ser caracterizados como: x. Volátil: Um combustível volátil quando está na temperatura ambiente desprende. vapores capazes de se inflamar, tais como gasolina (C8H18(l)), álcool etílico (C2H5OH(l)), éter de petróleo e benzina; x. Não volátil: Para desprender vapores capazes de se inflamar necessita de aquecimento. acima da temperatura ambiente. Combustíveis que são considerados voláteis precisam de um cuidado especifico para armazenamento e uso. Por isso, em alguns casos, esses combustíveis são transportados em compartimentos refrigerados. Sem a presença de combustível não há combustão, assim, é possível extinguir um incêndio eliminando ou retirando o combustível. Esse método se chama isolamento e é a forma mais simples de se extinguir um incêndio. Baseia-se na retirada do combustível que ainda não foi atingido, assim a alimentação da chama é interrompida. (SILVA FILHO, 1999). Outro método para extinguir um incêndio é o método de resfriamento, é o mais utilizado e consiste em diminuir a temperatura do combustível que está queimando, diminuindo consequentemente a liberação de gases ou vapores inflamáveis. Por fim, temos o método de abafamento, que consiste em diminuir ou impedir o contato do gás oxigênio (O2(g)) (comburente) com o material combustível. Não havendo comburente para reagir com o combustível, não haverá fogo, exceto em materiais que já tem o átomo do elemento químico oxigênio em sua composição e não necessitam de gás oxigênio (O2(g)) do ar para queimar. Exemplos desse método são: Colocar uma tampa sobre um recipiente contendo álcool etílico em chamas ou abafar uma vela acesa com um copo. (SILVA FILHO, 1999).. 2.1.2 Comburente. É toda substância química que se combina com combustível, possibilitando combustão. Sem dúvida o gás oxigênio (O2(g)) é o principal comburente, facilmente encontrado na natureza. A reação de combustão completa com um hidrocarboneto, por exemplo, irá liberar dióxido de carbono (CO2(g)), água (H2O(v)) e energia na forma de calor e luz. A composição percentual do ar atmosférico pode ser estimada da seguinte forma: gás oxigênio encontra-se no ar em torno de 21% em volume; 78% de gás nitrogênio (N2(g)) e cerca de 1% de gases nobres são os demais.

(18) 17. componentes do ar. Quando a concentração de gás oxigênio atinge valores muito baixos cessa a combustão. (SILVA FILHO, 1999).. 2.1.3 Calor. Conforme verificado por Silva Filho (1999), o calor é o agente físico do fogo, responsável por iniciar o fogo, mantê-lo aceso e também responsável pela propagação. Qualquer fonte de calor pode ser o fator iniciante de um incêndio; uma chama, faiscamento elétrico, eletrodo de solda, cano de escapamento de um veículo à explosão, cigarros e vários outros. Por isso, a procura de possíveis fontes de calor é um meio de prevenção de incêndio. Em relação a temperatura, existem três pontos relevantes, que são: x. Ponto de fulgor: O ponto de fulgor é a temperatura na qual um combustível libera vapor. em quantidade suficiente para tornar uma mistura inflamável por uma fonte externa de calor, mas esse ponto não é suficiente para que seja mantida a combustão caso seja retirada a fonte externa. Apenas há um clarão (flash) que logo se apaga; x. Ponto de combustão: Temperatura acima da qual os vapores desprendidos são. suficientes para serem inflamados mantendo a combustão mesmo com a retirada da fonte externa de calor; x. Ponto de ignição: O ponto de ignição consiste na temperatura (muito acima do ponto. de fulgor e combustão) à qual os vapores desprendidos entram em combustão espontânea, independentemente de qualquer chama direta. Os pontos de combustão e fulgor são muito próximos. Existem combustíveis nos quais o ponto de fulgor é atingido em temperaturas abaixo de zero, portanto, esses combustíveis não necessitam de um aquecimento para iniciar uma combustão. São combustíveis voláteis. (SILVA FILHO, 1999).. 2.1.4 Tipos de combustão. A combustão é muito comum no nosso cotidiano, ela está presente na queima do gás de cozinha, combustíveis de automóveis, queima de velas, madeira, papel e muitos outros. Os compostos orgânicos apresentam dois tipos de combustão, a completa e a incompleta: x. Combustão completa: A combustão completa é que possui quantidade de oxigênio. suficiente para consumir o combustível. Os produtos finais dessa combustão são o CO2.

(19) 18. (Dióxido de carbono) e H2O (água). Esse tipo de combustão é a que apresenta maior liberação de calor, por isso ela é a mais desejável. x. Combustão incompleta: Na combustão incompleta não existe quantidade suficiente de. gás oxigênio para que o combustível seja consumido completamente. Esse tipo de combustão libera para a atmosfera dois tipos de produtos: O monóxido de carbono (CO(g)) e a fuligem (C(s)). Essas substâncias constituem a fumaça que é produto da combustão incompleta. São substâncias toxicas para o meio ambiente e podem prejudicar a saúde. O monóxido de carbono é um gás inodoro e venenoso. (CARVALHO JUNIOR, 2003). Não é o fogo em si que causa a maioria das mortes por incêndios, na realidade a principal causa de morte é a inalação da fumaça. Quando um incêndio começa, o fogo acaba atingindo vários materiais sendo alguns mais inflamáveis que outros, e alguns materiais até podem conter substâncias químicas e toxicas para o organismo humano. Como um incêndio não é uma combustão controlada, e sim um acidente, a combustão acaba sendo incompleta e assim libera fumaça no ambiente. (SILVA FILHO, 1999).. A inalação de fumaça pode causar vários riscos ao organismo, sendo eles: x. Lesão térmica pela fumaça: São lesões térmicas (queimaduras) causadas pelo calor da. fumaça nas vias aéreas. x. Asfixia: A lesão pelo calor pode provocar inchaço das vias aéreas, impedindo a. passagem de ar para os pulmões. Assim, sem poder respirar, o indivíduo morre por asfixia. A asfixia pode ocorrer por outros fatores também, além da obstrução das vias aéreas. Um outro fator que causa isso é a falta de gás oxigênio devido a um incêndio em um lugar fechado, aonde a chama consome todo o oxigênio e a pessoa acaba morrendo pela falta de gás oxigênio no ambiente. x. Lesão das vias aéreas por inalação de substâncias químicas: A fumaça de um. incêndio é uma mistura de vários gases aquecidos e partículas. Um dos gases é o monóxido de carbono, mas além dele, vários outros gases podem aparecer na fumaça. Os produtos que estão sendo queimados, a temperatura do incêndio e a quantidade de oxigênio disponível para a combustão podem alterar a composição da fumaça que é produzida. Em geral, na fumaça há uma grande quantidade de substâncias irritativas às mucosas do sistema respiratório. Exemplos de irritantes químicos encontrados em incêndios incluem: dióxido de enxofre (SO2(g)), amoníaco (NH3(g)), cloreto de hidrogênio (HCl(g)) e cloro (Cl2(g)). Essas substâncias quando em contato com as mucosas da arvore respiratória provocam intensa reação inflamatória, e.

(20) 19. contribuem para uma menor capacidade de funcionamento dos pulmões, podendo causar insuficiência respiratória. O Quadro 2.1 mostra alguns outros efeitos e sintomas do monóxido de carbono em pessoas de acordo com a concentração e o tempo de exposição. Os valores são aproximados e variam de individuo para individuo, dependendo do estado de saúde e do nível de atividade física.. Quadro 2.1: Efeito e sintomas do monóxido de carbono no corpo humano.. Concentração (ppm). Efeito e sintomas nas. Tempo de exposição. pessoas 35. Nível permissível de. 8 horas. exposição 200. Dor de cabeça leve,. 3 horas. desconforto 400. Dor de cabeça, desconforto. 2 horas. 600. Dor de cabeça, desconforto. 1 hora. 1000-2000. Confusão, dor de cabeça,. 2 horas. náusea 1000-2000. Tendência a cambalear. 1,5 horas. 1000-2000. Palpitação no coração. 30 minutos. 2000-2500. Perda de consciência. 30 minutos. 4000. Fatal. Menos de 1 hora. Fonte: Carvalho Junior (2003).. 2.2 ESTUDO SOBRE GASES. 2.2.1 Inflamabilidade de gases. São considerados inflamáveis, substâncias que possuem ponto de fulgor inferior a 37,8°C (100°F). (SILVA FILHO, 1999). A menor concentração de gás ou de vapor combustível em ar ou em oxigênio que consegue estabelecer uma combustão autossustentada é chamada de “limite inferior de inflamabilidade”. Por outro lado, a maior concentração de gás ou de vapor combustível que.

(21) 20. consegue manter a combustão sem a contribuição de uma fonte externa de calor, é chamada de “limite superior de inflamabilidade”. (GARCIA, 2013). Os termos “limite de inflamabilidade” e “limite de explosividade” significam a mesma coisa. Não é válida a distinção entre explosão e inflamabilidade, com base em que uma desenvolve uma pressão e a outra não. Cada substância possui um limite de explosividade inferior e superior. Abaixo do limite inferior de inflamabilidade a mistura é pobre e insuficiente para queimar. Logo, acima do limite superior a mistura é considerada muito rica e não é capaz de queimar. (GARCIA, 2013). Manter substâncias inflamáveis ou explosivas abaixo ou acima desses limites é uma forma de prevenir acidentes. Essas misturas são expressas em percentagens em relação ao volume de gás ou vapor no ar, e são determinados a pressão e temperaturas normais para cada substância. O intervalo entre o limite inferior e o superior é onde a mistura é inflamável. A representação dos limites de explosividade pode ser vista na Figura 2.2. No Quadro 2.2 estão listados os limites de inflamabilidade de vários combustíveis. (GARCIA, 2013). Os limites de inflamabilidade são influenciados pelas seguintes variáveis: x. Temperatura;. x. Pressão;. x. Geometria e tamanho do vaso de contenção;. x. Estrutura molecular do combustível;. Figura 2.2: Representação dos limites de explosividade.. Fonte: Enesens (2015).

(22) 21. Quadro 2.2: Limites de explosividade de algumas substâncias.. Substância. Limite de inflamabilidade Limite de inflamabilidade inferior. superior. % volume de gás no ar. % volume de gás no ar. Hidrogênio (H2(g)). 4,0. 75,0. Metano (CH4(g)). 5,0. 15,0. Etano (C2H6(g)). 3,0. 12,5. Propano (C3H8(g)). 2,1. 10,1. n-Butano (C4H10(g)). 1,86. 8,41. Metanol (CH3OH(l)). 6,72. 36,5. Etanol (CH3CH2OH(l)). 3,28. 18,95. Amônia (NH3(g)). 15,5. 26,6. Gás Natural. 3,1. 19,6. Fonte: Adaptada de Garcia (2013). 2.2.2 Aplicações dos gases. Atualmente existem muitas áreas para a aplicação de gases inflamáveis. Vários tipos de processos industriais envolvem a utilização e fabricação de substâncias altamente perigosas, particularmente tóxicos, gases combustíveis e inflamáveis. Esses gases também são adotados para usos residenciais e para geração de energia. (HONEYWELL, 2013), (ENESENS, 2015). Como a aplicação é muito ampla e envolve muitos tipos de gases, será feito um pequeno estudo sobre alguns ramos industriáveis e residenciais que utilizam ou produzem gases inflamáveis.. 2.2.2.1 Aplicações na indústria. Segundo Honeywell (2013), gases inflamáveis são utilizados em vários ramos da indústria, alguns desses ramos são: x. Indústria de petróleo e gás: Esse tipo de indústria abrange um grande número de. atividades, desde a exploração em offshore e produção de petróleo e gás, até o seu armazenamento, transporte e refino. Nesses processos, existem grandes quantidades de.

(23) 22. hidrocarbonetos envolvidos (altamente inflamáveis) e causam sérios riscos à segurança do processo. x. Indústria química: Essas industrias são provavelmente as que mais usam dispositivos. de detecção de gases, pois usam uma grande variedade de gases inflamáveis e tóxicos, tanto nos seus processos fabris ou como subprodutos de seus processos. Os gases inflamáveis envolvidos são em sua maioria hidrocarbonetos. x. Indústria siderúrgica: Na usina siderúrgica, todo o processo de fabricação do aço. desde a produção do coque (combustível com altos teores de carbono), até a moldagem e rolagem de lingotes, é feito na presença de gases e vapores. Isso se deve as altas temperaturas encontradas nas operações de fusão e fundição e essas operações acabam expondo os trabalhadores a diferentes gases nocivos e perigosos a saúde. Durante esses processos são produzidas altas concentrações de monóxido de carbono (CO(g)), óxidos de enxofre (SOx(g)), amônia, benzeno, cloreto de hidrogênio, sulfeto de hidrogênio, cianeto de hidrogênio, dióxido de nitrogênio, dióxido de enxofre, gases combustíveis e compostos orgânicos voláteis. Logo, possíveis vazamentos desses gases podem colocar a vida dos trabalhadores em risco. x. Indústria automotiva: Em alguns lugares o Gás Natural Veicular (GNV) é utilizado na. indústria automotiva para a substituição da gasolina, álcool e diesel em automóveis. x. Usinas de energia: Algumas usinas utilizam gás natural como combustível e fonte de. calor para aquecer a água, que posteriormente é utilizada para gerar eletricidade. Outro gás normalmente utilizado é o hidrogênio, devido a sua inflamabilidade e potencial como combustível.. 2.2.2.2 Aplicações em residências. No setor residencial, gases inflamáveis podem ser aplicados para climatização de ambientes, aquecimento de água e cocção. O mais comum de todos é o Gás Liquefeito de Petróleo (GLP), também conhecido como gás de cozinha. O gás liquefeito de petróleo é formado pela combinação de butano e propano, dois gases derivados do petróleo e que são bastante utilizados devido a suas propriedades como combustível (altamente inflamáveis). Uma das principais características do GLP é ficar em estado líquido quando submetido a um certo grau de pressão, e retornar ao estado gasoso quando precisa ser utilizado. (GARCIA, 2013). O gás liquefeito de petróleo é originalmente inodoro, ou seja, livre de qualquer cheiro, mas para que seja possível sentir algum vazamento pelo olfato, é adicionado um composto à.

(24) 23. base de enxofre (SOx(g)), que tem como função justamente emprestar ao gás esse cheiro mais forte, e que é um indicativo de vazamento. Se não fosse adicionado ao GLP, o olfato humano não conseguiria identificar vazamentos, o que seria um grande risco. (GARCIA, 2013), (ULTRAGAZ, 2018). A energia resultante da utilização do gás GLP é mais limpa. Isso quer dizer que a produção deste tipo de energia é livre de resíduos tóxicos, respeitando o meio ambiente. O GLP é um substituto da lenha, que muitas vezes é utilizada dentro de residências e ambientes fechados, o que não é recomendável por conta do risco de intoxicação pela fumaça e pela emissão de gases nocivos. Além disso, a queima de lenha não é benéfica ao ambiente. Como não requer a construção de gasodutos ou redes de distribuição, o gás liquefeito chega a todos os lugares, seja em áreas rurais ou urbanas. Não há necessidade da realização de obras para instalação e utilização. (GARCIA, 2013), (ULTRAGAZ, 2018). O gás de cozinha é famoso por sua aplicação em fins residenciais, mas ele também é muito utilizado em pequenos e médios negócios, como padarias, restaurantes, pizzarias, motéis e hotéis.. 2.2.3 Gases hidrocarbonetos. Hidrocarbonetos, são compostos formados apenas por átomos do elemento químico hidrogênio e de carbono. Podem ser classificados em: alcanos, alcenos, alcinos e hidrocarbonetos aromáticos, essa classificação se dá de acordo com o tipo de ligação entre os átomos de carbono e hidrogênio. Os hidrocarbonetos são compostos encontrados amplamente na natureza. O metano, por exemplo, é produto da decomposição de vegetais causada por bactérias, a qual ocorre em grande escala em solos alagados. Ele também pode ser produzido por decomposição de matéria orgânica. (BARBOSA, 2011). As maiores fontes de alcanos, são o gás natural e o petróleo, que são muito utilizados para suprir grande parte da demanda de energia requerida para manter o padrão de vida de países industrializados.. 2.2.4 O gás Natural. O termo gás natural é utilizado para denominar gases acumulados no subsolo, de variada composição. Normalmente, o gás natural consiste em pelo menos 95% de hidrocarbonetos,.

(25) 24. sendo o restante constituído de gás nitrogênio, dióxido de carbono e, algumas vezes, sulfeto de hidrogênio(H2S(g)). (BARBOSA, 2011). O principal componente do gás natural é o metano, que normalmente compõe cerca de 80 a 90% do volume. Alguns outros hidrocarbonetos de maior massa molecular estão presentes em menor quantidade, considerando-se que alcanos com mais de 5 átomos de carbono raramente constituem mais de 2% da mistura. (GARCIA, 2013). Nos dias de hoje o gás natural é utilizado em residências, nas indústrias e como combustível para automóveis. Nas industrias ele é utilizado, principalmente, para geração de energia elétrica. Estima-se que atualmente em torno de 18% do consumo de energia do mundo seja suprido por essa fonte. (BARBOSA, 2011). Como pode ser visto, a maioria desses ramos industriais e residenciais utiliza ou produz gases hidrocarbonetos como o Gás natural, propano, butano e GLP, portanto o projeto irá focar em um sistema de detecção de vazamentos de gás GLP em um ambiente residencial (minha residência).. 2.3 RISCOS DE INCÊNDIOS. A base teórica da prevenção e do controle de incêndios é o conhecimento dos fenômenos físico-químicos que determinam o surgimento e o desenvolvimento de qualquer combustão. Prevenção é o ato de evitar condições propícias para um incêndio, e o controle é o conjunto de medidas tomadas para eliminar tais condições. (SILVA FILHO, 1999). Segundo Corrêa (2015), comprovado por CTIF (2012), incêndios em edificações (comerciais, de prestação de serviços, industriais e residenciais) são extremamente frequentes em todo mundo. Estima-se que este tipo de incêndio esteja em torno de um terço (1/3) de todas as ocorrências registradas. A Figura 2.3 confirma tal afirmação em um levantamento realizado em trinta e dois países pelo mundo. A cada ano, centenas de mortes e bilhões de dólares em perdas de propriedade ocorrem devido a incêndios. Os Estados Unidos da América (EUA) registrou 1,6 milhões de incêndios em 2005 com 3677 mortes, 83% dessas mortes ocorreram em incêndios em residências. (SEITO, 2008), (CORRÊA, 2015). Não menos evidentes, são os prejuízos sociais relacionados com os incêndios em edificações, que causam, além de desemprego temporário ou definitivo, o desalojamento de famílias que perdem sua residência. (CORRÊA, 2015)..

(26) 25. Figura 2.3: Ocorrência de incêndio no mundo no ano de 2010. Fonte: CTIF (2012).. Ao analisar algumas cidades dos trinta e dois países estudados, no Report nº 17, nota-se uma relação entre grandes adensamentos populacionais e mortes derivadas de incêndios. Isso pode ser verificado no Quadro 2.3. (CTIF, 2012).. Quadro 2.3: Mortes em incêndios em algumas cidades do mundo. Média anual de Cidade. País. População (milhão). mortes por incêndios (2006 a 2010). Noda Deli. Índia. 16,0. 376 mortes. Tóquio. Japão. 12,2. 131 mortes. Moscou. Rússia. 11,5. 351 mortes. Nova York. Estados Unidos. 8,25. 86 mortes. Londres. Reino Unido. 7,58. 45 mortes. Hong Kong. China. 6,98. 13 mortes. São Petesburgo. Rússia. 4,5. 260 mortes. Recife. Brasil. 1,49. 135 mortes. Fonte: Adaptada de CTIF (2012)..

(27) 26. Os incêndios, pequenos ou grandes, nos núcleos urbanos do Brasil, são derivantes do crescimento não planejado das cidades, acompanhado da insuficiente falta de infraestrutura contra incêndios. Incêndios causados por vazamento de gás de botijões com explosões, curto circuitos em instalações elétricas por excesso de carga, manuseio de explosivos e produtos perigosos em locais inadequados são alguns dos motivos que ocasionam tragédias. (CORRÊA, 2015).. 2.3.1 Classificação dos incêndios. Segundo Silva Filho (1999), um incêndio é o fogo fora de controle do homem, provocando grandes danos e vítimas e os incêndios também são divididos em classes denominadas alfabeticamente. São elas: x. Incêndio classe A: verificados em matérias fibrosos ou sólidos, queimam em superfície. e profundidade, deixando como resíduo brasas e cinzas. Alguns exemplos dessa classe são: queima de madeira, papel, estopa, algodão, tecidos, plástico, dentre outros materiais. x. Incêndio classe B: São caracterizados pela queima de substâncias combustíveis ou. inflamáveis as quais queimam em superfície não deixando resíduos. Alguns exemplos: óleo, gasolina, benzina, nafta e álcool. x. Incêndio classe C: Caracteriza-se pela queima de equipamentos com circuitos elétricos. energizados, portanto, oferecendo risco adiciona de choque durante seu combate. x. Incêndio classe D: verificando-se em alguns metais com certa forma de apresentação,. exige para extinção um agente especial. Para efeito didático esses metais são chamados “metais combustíveis”. Dentre eles há duas definições: os metais combustíveis auto inflamáveis como sódio, potássio, lítio, césio e algumas ligas; e os metais combustíveis não auto inflamáveis, como magnésio, titânio, zircônio. x. Incêndio classe E: São aqueles que envolvem matérias radioativos, cujos riscos são. acrescidos aos do próprio incêndio..

(28) 27. 2.4 SENSORES DE GÁS. 2.4.1 Sensor catalítico. Quase todos os sensores de detecção modernos e de baixo custo para gás combustível são do tipo eletro-catalítico. Consistem de um elemento sensor muito pequeno muitas vezes chamado de “pérola”, um “pellistor ‘, ou’ Siegistor’. São feitos de uma bobina de fio de platina aquecido eletricamente, coberto primeiro com uma base de cerâmica, tais como alumina e, em seguida, com um revestimento final exterior do catalisador de paládio ou ródio disperso em um substrato de tório. (HONEYWELL, 2013), (ENESENS, 2015). O sensor catalítico possui como princípio de funcionamento a ponte de Wheatstone, onde basicamente existe um par de elementos denominados detector e compensador. O detector consiste em um fio formado por uma liga de platina com material catalítico e o compensador, um material idêntico, porém sem a parte catalítica. A ponte é alimentada por uma tensão DC constante capaz de aquecer o par de elementos. O gás inflamável em contato com o detector oxida apenas o elemento catalítico, que por sua vez incrementa a resistência gerando uma variação de corrente elétrica na ponte diretamente relacionada com a concentração de gás na atmosfera circundante. A Figura 2.4 ilustra esse princípio. (ENESENS, 2015), (HONEYWELL, 2013).. Figura 2.4: Ponte Wheatstone do sensor catalítico. Fonte: SGX Sensortech (2007). A falha mais comum em sensores catalíticos é a degradação causada pela exposição a certas substâncias. Logo, é essencial que qualquer sistema de detecção de gás deva ser calibrado.

(29) 28. não apenas na instalação, mas com uma certa frequência e recalibrado quando necessário. A melhoria no funcionamento estável pode ser obtido através da utilização de sensores resistentes a gases oxidantes e reativos. Estes têm uma maior resistência à degradação por substâncias tais como os silicones, enxofre e compostos de chumbo, que pode rapidamente desativar, ou contaminar outros tipos de sensores catalíticos. (HONEYWELL, 2013), (ENESENS, 2015).. 2.4.1.1 Velocidade de resposta. Para atingir os requisitos necessários de segurança de concepção, este tipo de sensor catalítico deve ser montado em uma carcaça resistente atrás de um para-chamas (geralmente uma tela metálica). Isso permite que a mistura de gás e ar possa se difundir dentro do encapsulamento e no elemento sensor de calor ao mesmo tempo, impedindo a propagação de qualquer chama para a atmosfera exterior. O para-chamas reduz ligeiramente a velocidade de resposta do sensor, mas na maioria dos casos a energia elétrica vai dar uma leitura em questão de segundos após o gás ser detectado. No entanto, porque a curva de resposta é bastante achatada à medida que se aproxima do valor final, o tempo de resposta geralmente é especificada em termos de tempo para atingir 90 por cento do seu valor final e é por isso conhecido como o valor T90. Valores de T90 para sensores catalíticos são tipicamente entre 20 e 30 segundos. A Figura 2.5 mostra a curva de resposta de tempo. (HONEYWELL, 2013).. Figura 2.5: Curva do tempo de resposta de um sensor catalítico. Fonte: Honeywell (2013)..

(30) 29. 2.4.2 Sensor infravermelho. Muitos gases combustíveis tem bandas de absorção na região infravermelho do espectro eletromagnético da luz. O princípio da absorção infravermelha tem sido usado como ferramenta analítica de laboratório por vários anos. (HONEYWELL, 2013) Esses sensores possuem uma série de vantagens importantes sobre o tipo de catalítico. Possuem uma velocidade muito rápida de resposta (normalmente menos de 10 segundos), baixa manutenção e controle muito simplificado, utilizando o recurso de auto verificação de equipamentos de controle micro processado moderno. Eles são à prova de falhas e funcionam em atmosferas inertes, e sob uma ampla gama de ambientes de pressão, temperatura, interferência eletromagnética e umidade. (HONEYWELL, 2013) Os sensores Infravermelhos (IR) também realizam a medição dos gases inflamáveis, exceto para o gás hidrogênio. Também chamado de infravermelho não dispersivo (NDIR), realiza a medição em % de LEL (Lower explosion limit ou limite inferior de explosividade) e é recomendado para curtas distâncias no processo. O sensor utiliza a capacidade do gás de absorver a radiação infravermelha. Suas amostras são expostas à luz infravermelha, uma do gás de interesse e outra inerte para referência. A quantidade de luz transmitida através de cada amostra é comparada para determinar a concentração do gás a ser medido. A Figura 2.6 mostra o funcionamento do sensor infravermelho. (ENESENS, 2015), (HONEYWELL, 2013).. Figura 2.6: Sensor infravermelho.. Fonte: Enesens (2015)..

(31) 30. 2.4.3 Sensor infravermelho de caminho aberto (Open Path). Os sensores de tecnologia Open Path, assim como os infravermelhos, realizam a medição de gases inflamáveis, exceto gás hidrogênio. Sua característica de medição é semelhante ao IR, mas são recomendados para grandes Distâncias. A medição é realizada em % de LEL por metro, e a fonte do infravermelho é separada do detector. (ENESENS, 2015). O sensor Open Path monitora um feixe de luz infravermelho. Assim como os sensores infravermelhos, o Open Path utiliza um conceito de duplo feixe. O comprimento de onda do feixe da amostra faz a leitura dos hidrocarbonetos e o segundo feixe de referência fica de fora do comprimento de onda do gás. A relação dos dois feixes é continuamente comparada e analisada. Quando não há nenhum gás presente, a relação entre os dois feixes é constante, mas quando uma nuvem de gás passa pelo feixe, o sinal de amostra é absorvido ou reduzido na proporção da concentração do gás que foi detectado, enquanto o feixe de referência não sofre alteração alguma. Com essa variação é possível obter a concentração de gás detectado. A Figura 2.7 mostra a aplicação do sensor Open Path. (HONEYWELL, 2013), (ENESENS, 2015). O Quadro 2.4 mostra as vantagens e desvantagens de cada sensor de acordo com o estudo levantado.. Figura 2.7: Aplicação do sensor Open Path. Fonte: Enesens (2015).

(32) 31. Quadro 2.4: Vantagens e desvantagens dos sensores. Tipo de sensor. Vantagens. Desvantagens. x Mede a inflamabilidade de gases de x Requer manutenção maneira simples. x Pode ser danificado por. x Baixo custo Catalítico. algumas substâncias. x Tecnologia conhecia. x Necessita de aquecimento. x Alta disponibilidade no mercado. x Resposta lenta x Necessita de gás oxigênio. Infravermelho. x Menos sensível a erros de calibração. x Maior custo. x Pode ser usado em atmosferas sem gás. x Recomendado apenas para. oxigênio. curtas distâncias. x Resposta rápida. x Difícil aquisição, baixa disponibilidade no mercado. x Capaz de detectar baixas concentrações. x Alto custo. x Funciona bem com gases tóxicos e. x Não recomendado para áreas. inflamáveis Infravermelho Open Path. pequenas. x Longo alcance de detecção. x Pode apresentar falhas na. x Resposta rápida. leitura, caso haja alguma obstrução no feixe infravermelho x Difícil aquisição, baixa disponibilidade no mercado. Fonte: própria autoria (2018).. 2.4.4 Posicionamento dos sensores. Segundo Honeywell (2013), não existe exatamente uma regra para o posicionamento de sensores de gás, pois pode variar para cada tipo de gás e aplicação, mas normalmente sensores de gases devem ser instalados aonde há a maior possibilidade de ocorrer um vazamento. Locais que requerem maior proteção em uma planta industrial seriam em volta de caldeiras de gás, compressores, tanques de pressurização, cilindros e óleo dutos. Locais nos quais os vazamentos são mais propícios a ocorrer são válvulas, flanges, junções de tubulações e conexões de enchimento ou drenagem. Existem algumas considerações a serem seguidas: x. Para detecção de gases mais leves que o ar, os sensores devem ser colocados em locais. mais altos;.

(33) 32. x. Para detecção de gases mais pesados que o ar, os sensores devem ser colocados em níveis. mais baixos; x. Locais de acesso fácil para testes e manutenção;. x. Locais aonde o sensor fique mais protegido de poeira e sujeira;. x. Para sensores infravermelhos tipo caminho aberto, assegurar que não há obstrução nos. feixes infravermelhos e que estrutura seja firme e não vibre;. A Figura 2.8 mostra um exemplo de aplicação de um sistema de detecção de gás, onde está sendo feito o monitoramento de um cilindro de gás metano em uma sala.. Figura 2.8: Exemplo de aplicação de um sistema de detecção de gás.. Fonte: própria autoria (2018).. Como a densidade do metano é de 0.656Kg/m³, bem menor que a densidade do ar, o gás tende a ir para lugares mais altos, por isso os sensores estão posicionados em locais altos. O exemplo também mostra sinalizadores luminosos e sonoros no local de monitoramento, além de um painel de controle e um botão para ligar/desligar o sistema.. 2.5 COMUNICAÇÃO DE TELEFONIA MÓVEL. Comunicar-se em qualquer lugar, com qualquer pessoa e a qualquer momento, é basicamente o principal objetivo dos sistemas de comunicação sem fio e das telecomunicações. Para atingir esse objetivo, muitos avanços e melhorias foram necessárias nos protocolos e meios de comunicação sem fio. Inicialmente, a telefonia móvel era capaz de transmitir e receber apenas sinais analógicos de voz, mas posteriormente, em 1991, houve uma revolução.

(34) 33. nas telecomunicações com a implementação do Global System for Mobile Communication (GSM), que permitiu a transmissão de mensagens de texto, assim, houve a passagem do analógico para o digital. (EBERSPÄCHER, VÖGEL, et al., 2009). Com o passar do tempo, novas tecnologias foram surgindo e em 2000 surgiu a terceira geração de comunicações móveis, conhecida como 3G que proporcionou facilidade no acesso à internet móvel. Anos depois, surgiu a quarta geração de comunicações móveis (4G), também conhecida como Long Term Evolution (LTE), que é o padrão mais recente e ainda em implementação pelo mundo, com uma capacidade de transmissão de dados em bandas ultra largas. (EBERSPÄCHER, VÖGEL, et al., 2009).. 2.5.1 GSM. Em seu surgimento, o GSM tinha como objetivo definir um novo padrão para comunicações de banda de 900MHz usando tecnologia digital, pois na época cada pais usava seu próprio padrão para comunicações móveis. Em 1991 a tecnologia GSM foi lançada comercialmente e teve um sucesso tão grande que vários países a adotaram e o GSM passou a trabalhar em várias bandas de frequência diferentes, sendo elas: 900MHz, 1800MHz e 1900MHz. (HEINE, 1998). Com o grande sucesso do GSM, houve a necessidade de desenvolver um dispositivo para fácil implementação dessa tecnologia, e por esse motivo surgiu o modulo GSM. O modulo GSM é um dispositivo que possui embarcado todo o hardware necessário para a comunicação de telefonia móvel. O modulo GSM possui um slot para inserção de um chip de operadora, e por meio de interfaces de comunicação serial e comandos AT o modulo pode ser programado para enviar SMS e fazer ligações para outros módulos ou para um telefone celular, sendo assim ideal para esse projeto. (HALONEN, ROMERO e MELERO, 2003), (MARCONDES, GUARDIA e MARTINELLO, 2008). Os módulos GSM geralmente são fabricados em shields que podem ser encaixadas diretamente nos microcontroladores para facilitar as conexões. Também utilizam uma antena especifica para telefonia móvel com o intuito de proporcionar um sinal adequado para a comunicação entre modulo e operadora. As Figuras 2.9 e 2.10 mostram uma shield de GSM para arduino..

(35) 34. Figura 2.9: GSM shield para arduino vista de cima.. Fonte: Thomsen (2014). Figura 2.10: GSM shield para arduino vista de baixo.. Fonte: Thomsen (2014). 2.5.1.1 Comandos AT. Comandos AT ou também conhecidos como comandos Hayes, foram originalmente desenvolvidos para controlar um modem a partir de um computador. No início da década de 80, foi desenvolvido um padrão de comandos AT para telefones GSM, o que agora permitia o acesso a informações como contatos, registros de ligação e mensagens SMS. (ZHICONG, DELIN e SHUNXIANG, 2008). A transmissão desses comandos é feita pela UART, através do terminal TX, que envia sequencias de caracteres da tabela ASCII que serão interpretados pelo receptor RX. O terminal receptor também pode enviar mensagens de retorno ou de detecção de erro de transmissão, caso seja necessário. (ZHICONG, DELIN e SHUNXIANG, 2008), (AXELSON, 2007)..

(36) 35. 2.6 MICROCONTROLADORES. Microcontroladores estão embutidos dentro de quase todos produtos ou dispositivos com os quais o usuário pode interagir. Qualquer dispositivo que meça, armazene, calcule, controle ou mostre informações usa um microcontrolador como parte do dispositivo ou sistema. Os microcontroladores contêm uma unidade de processamento, memórias (RAM ou ROM), portas de entrada e saída (I/O), Modulação por Largura de Pulso (PWM), e alguns dispositivos periféricos como contadores/timers, conversores analógico/digitais entre outros, tudo integrado em um único chip, assim, o microcontrolador, diferentemente de um microprocessador, é uma unidade funcional completa, que executa um programa especifico ou uma função armazenado em sua memória interna (MAINI, 2007). A Figura 2.11 mostra uma configuração básica de um microcontrolador. Existem muitos fatores a serem considerados na escolha de um microcontrolador para desenvolver uma tarefa, alguns desses fatores são: velocidade de processamento, capacidade de armazenamento, facilidade de programação, consumo de energia e é claro, todos os periféricos necessários devem estar embarcados no microcontrolador. (MAINI, 2007), (IBRAHIM, 2006).. Figura 2.11: Configuração básica de um microcontrolador. Fonte: Maini (2007)..

(37) 36. 2.7 COMUNICAÇÃO SERIAL. Uma porta serial é uma interface que transmite dados bit a bit. A maioria das portas seriais são bidirecionais, ou seja, elas transmitem e recebem dados. Uma porta serial de saída funciona como transmissora (TX) e envia os dados um bit de cada vez para uma porta serial receptora (RX). Transmitir um bit por vez pode parecer ineficiente, mas tem algumas vantagens, como pode usar cabos mais baratos e conectores menores. Portas seriais podem ser usadas por microcontroladores para se comunicarem com outros microcontroladores ou outros sistemas embarcados como computadores. Os compiladores de linguagem para microcontroladores geralmente fornecem bibliotecas com funções que simplificam a programação da porta serial. (AXELSON, 2007).. 2.7.1 Comunicação serial assíncrona. A comunicação assíncrona não exige o sincronismo dos clocks entre o receptor e o transmissor, cada caractere carregada seus próprios sinais de sincronismo. A comunicação inicia-se com um bit de start, e após a transmissão/recepção é concluída com um bit de stop. (AXELSON, 2007).. 2.7.1.1 UART. O padrão Receptor/Transmissor Universal Assincrono (UART) transmite dados em pedaços, normalmente chamados de palavras. Cada palavra contém um bit de start, bits de dados, um bit opcional de paridade e um ou mais bits de stop. O bit de paridade pode fornecer uma forma básica de detecção de erros. A Figura 2.12 mostra uma transmissão serial UART. (AXELSON, 2007). Figura 2.12: Transmissão UART.. Fonte: Electri Imp Dev Center (s.d.)..

(38) 37. Um parâmetro que deve ser definido em uma transmissão por UART, é a velocidade de transmissão, ou taxa Baud (BR). É necessário que o transmissor e receptor sejam configurados na mesma taxa Baud, pois se não estiverem, o receptor irá amostrar os bits recebidos no tempo errado. (AXELSON, 2007). 2.7.2 Comunicação serial síncrona. Em protocolos síncronos, a interface inclui uma linha de clock que é normalmente controlada por um dos dispositivos e todos os bits transmitidos são sincronizados com esse clock. Cada bit transmitido é validado em um determinado tempo após a borda de subida ou decida do clock, dependendo do protocolo. Alguns exemplos de comunicação serial síncrona seriam as interfaces I2C e SPI. (AXELSON, 2007).. 2.7.2.1 Serial Peripheral Interface (SPI). O Serial Peripheral Interface (SPI) é uma porta de entrada / saída serial síncrona de alta velocidade que permite que um fluxo de bits seriais de comprimento programado (2 a 16 bits) seja deslocado para dentro e para fora do dispositivo a uma taxa de transferência de bit programada. O SPI normalmente é usado para comunicação entre o dispositivo e os periféricos externos. (TEXAS INSTRUMENTS, 2012). Esse tipo de comunicação serial utiliza 4 terminais, o terminal para relógio de sincronismo (SPISCK), o terminal para a seleção de dispositivo escravo (SPISCS), terminal de transmissão de informações do mestre para o escravo (SPISIMO), e por fim o terminal de transmissão do escravo para o mestre (SPISOMI). Os terminais de transmissão de dados são unidirecionais, mas como são dois terminais de transmissão, isso acaba tornando o sistema bidirecional, pois pode transmitir e receber ao mesmo tempo. A Figura 2.13 mostra o funcionamento do protocolo SPI. (TEXAS INSTRUMENTS, 2012)..

(39) 38. Figura 2.13: Comunicação SPI.. Fonte: Texas Instruments (2012).. 2.7.2.2 Inter-integrated Circuit (I2C). Inter-integrated Circuit (I2C) é um barramento de comunicação serial que se tornou muito popular e é muito utilizado para comunicação entre vários dispositivos mestre e escravos ao mesmo tempo. É um tipo de comunicação serial que utilizada apenas dois terminais, um deles é um terminal de dados bidirecional (SDA), e o outro terminal é o sinal de relógio de sincronia (SCL). A Figura 2.14 mostra um exemplo de barramento de comunicação I2C. O número de dispositivos em um único barramento é limitado pelo tamanho do endereço, que pode ser de 7 bits ou 10 bits. (VALDEZ e BECKER, 2015).. Figura 2.14: Típico barramento I2C.. Fonte: Sacco (2015).

(40) 39. Para que aconteça a comunicação entre o mestre e o escravo, primeiramente o dispositivo mestre deve enviar um bit de Start e depois enviar o endereço do dispositivo com o qual irá se comunicar (A0 à A6, para um endereçamento de 7 bits), após isso, um bit de leitura/escrita (R/W) é enviado e então o dispositivo escravo envia um bit de reconhecimento (ACK) para que comece a comunicação. Então são enviados 8 bits de dados (D0 à D7) e após o último dado ser enviado, a comunicação é finalizada com um bit de Stop. Esse processo é visto na Figura 2.15. (VALDEZ e BECKER, 2015).. Figura 2.15: Comunicação I2C.. Fonte: Picotech (2014).. Uma das desvantagens da comunicação I2C é o fato de haver apenas um terminal de dados, assim possibilitando apenas ou o envio de dados ou a recepção de dados, e nunca os dois ao mesmo tempo. Outra desvantagem é a necessidade de enviar bits de endereçamento para fazer a comunicação, o que diminui a velocidade de transmissão e por isso I2C pode não ser muito viável para aplicações com alta taxa de transmissão de dados. (VALDEZ e BECKER, 2015).. 2.8 PLANO DE PREVENÇÃO E PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIOS. 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..

(41) 40. 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..

(42) 41. 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..