Sistema supervisório para monitoramento de consumo de água

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ANDREY FÜRST DE SOUZA

GLÁUBER MUZYKA OYARZABAL NUNES THIAGO HOPPEN BIANCHINI

SISTEMA SUPERVISÓRIO PARA MONITORAMENTO DE CONSUMO

DE ÁGUA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

CURITIBA 2016

ANDREY FÜRST DE SOUZA

GLÁUBER MUZYKA OYARZABAL NUNES THIAGO HOPPEN BIANCHINI

SISTEMA SUPERVISÓRIO PARA MONITORAMENTO DE CONSUMO

DE ÁGUA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso, do curso de Engenharia Elétrica, do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Dr. Roberto Cesar Betini

CURITIBA 2016

Thiago Hoppen Bianchini

Sistema Supervisório para Monitoramento de Consumo de Água

Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro Eletricista, do curso de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).

Curitiba, 22 de novembro de 2016.

____________________________________ Prof. Dr. Emerson Rigoni

Coordenador de Curso Engenharia Elétrica

____________________________________ Profa. Mestre Annemarlen Gehrke Castagna Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso

de Engenharia Elétrica do DAELT

ORIENTAÇÃO BANCA EXAMINADORA

______________________________________ Prof. Dr. Roberto Cesar Betini

Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientador

_____________________________________ Prof. Dr. Roberto Cesar Betini

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

_____________________________________ Prof. Dr. Paulo Cícero Fritzen

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

_____________________________________ Prof. Dr. Winderson Eugenio dos Santos

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Com toda a certeza esses agradecimentos não atenderão a todos que realmente merecem e que fizeram parte de toda nossa trajetória durante o curso nessa universidade. Entretanto, todos que caminharam junto conosco durante essa jornada, direta ou indiretamente, sintam-se abraçados e com nossos sinceros agradecimentos, pois podem ter certeza que qualquer pequeno ato, por menor que parecesse, foi de grande valia.

Agradecimentos especiais ao professor orientador Roberto Cesar Betini, por todo seu apoio, confiança e pelo empenho dedicado à elaboração deste trabalho; também por seu paciente trabalho de revisão de redação; enfim, por todo seu suporte no pouco tempo que lhe coube, com todas as suas correções, sugestões e incentivos, os quais foram imprescindíveis à conclusão deste projeto.

Agradecemos а todos os professores por nos proporcionarem о conhecimento não apenas racional, mas а manifestação do caráter е afetividade da educação no processo de formação profissional, pelo tanto qυе se dedicaram, não somente por terem nos ensinado, mas por nos terem feito aprender.

Nossos agradecimentos aos amigos, colegas de curso, de trabalho, pais e familiares, que foram pessoas importantes e fundamentais em todo esse processo de apoio e aprendizado, sempre nos dando suporte em tudo que fosse necessário.

Sabemos o quão é difícil chegar a este ponto, superar problemas, virar a página do livro todos os dias com a esperança que o amanhã seja melhor que o hoje, porém estamos prontos para darmos o melhor de nós e tentar poder contribuir com a sociedade de certa forma.

excelência não deve ser um objetivo, e sim um hábito.”

BIANCHINI, Thiago Hoppen; NUNES, Gl´auber Muzyka Oyarzabal; SOUZA, Andrey F¨urst de. SISTEMA SUPERVIS ´ORIO PARA MONITORAMENTO DE CONSUMO DE ´AGUA. 78 f. Trabalho de Conclus˜ao de Curso (Graduac¸˜ao) – Curso de Engenharia Eletrica, Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a. Curitiba, 2016.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema supervis´orio para monitoramento de consumo de ´agua de uma residˆencia em tempo real. Ele analisa a importˆancia da automac¸˜ao, seus conceitos e emprego para soluc¸˜oes de Engenharia. Utiliza uma CPU de baixo custo, denominada Raspberry Pi, desenvolvida especialmente para o ensino de programac¸˜ao, a qual, por meio de um programa espec´ıfico desenvolvido em linguagem de programac¸˜ao Python, permite sua comunicac¸˜ao e integrac¸˜ao com um sensor de vaz˜ao. Desenvolve um software capaz de integrar um prot´otipo do sistema, apresentando os resultados obtidos e dados coletados em forma gr´afica, com facilidade de visualizac¸˜ao e interac¸˜ao com o usu´ario, por meio da utilizac¸˜ao de uma interface com o mesmo.

Palavras-chave: Sistema supervis´orio. ´Agua. Automac¸˜ao. Raspberry Pi. Python. Sensor de vaz˜ao.

BIANCHINI, Thiago Hoppen; NUNES, Gl´auber Muzyka Oyarzabal; SOUZA, Andrey F¨urst

de. SUPERVISORY SYSTEM FOR WATER CONSUMPTION MONITORING. 78 f.

Trabalho de Conclus˜ao de Curso (Graduac¸˜ao) – Curso de Engenharia Eletrica, Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a. Curitiba, 2016.

This work presents the development of a supervisory system for water consumption monitoring of a residence in real time. It analyzes the importance of automation, as well as its concepts and uses for engineering solutions. Uses a low cost CPU, called Raspberry Pi, especially developed for programming teaching, which, through a specific program developed in Python programming language, allows its communication and integration with a flow sensor. Develops a software able to integrate a system prototype, presenting the obtained results and collected data in graphical form, with easy viewing and interaction with the user, through the use of an interface with the same.

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FIGURA 1 M´edia do uso residencial da ´agua. . . 6 –

FIGURA 2 Diagrama de blocos do sistema. . . 7 –

FIGURA 3 Microcomputador Raspberry Pi 1 modelo B+. . . 8 –

FIGURA 4 Sistema desenvolvido por Coelho. . . 17 –

FIGURA 5 Sistema desenvolvido por Takamiya. . . 19 –

FIGURA 6 Descric¸˜ao do Efeito Hall em Semicondutor. . . 21 –

FIGURA 7 Pinos do Raspberry Pi 2. . . 24 –

FIGURA 8 Numerac¸˜ao dos Pinos do Raspberry Pi 2. . . 24 –

FIGURA 9 Prot´otipo usado para teste. . . 29 –

FIGURA 10 Detalhe das ligac¸˜oes feitas no Raspberry Pi. . . 30 –

FIGURA 11 Diagrama esquem´atico do circuito montado. . . 30 –

FIGURA 12 Interface textual do compilador. . . 32 –

FIGURA 13 Interac¸˜ao entre os elementos do sistema. . . 33 –

FIGURA 14 Instalac¸˜ao do servidor VNC. . . 42 –

FIGURA 15 Terminal com comando de editor de texto. . . 43 –

FIGURA 16 Editor de texto no terminal. . . 44 –

FIGURA 17 Interface do TightVNC para Windows. . . 45 –

FIGURA 18 Autenticac¸˜ao do cliente VNC. . . 46 –

FIGURA 19 Materiais utilizados. . . 50 –

FIGURA 20 Prot´otipo funcional. . . 51 –

FIGURA 21 Teste realizado para calibrac¸˜ao do sensor de vaz˜ao. . . 52 –

FIGURA 22 Comparac¸˜ao entre os valores obtidos do volume de ´agua. . . 53 –

FIGURA 23 Interface Homem-M´aquina do sistema supervis´orio. . . 54 –

FIGURA 24 Interface Homem-M´aquina para o intervalo personalizado. . . 55 –

FIGURA 25 Gr´afico do sistema supervis´orio obtido para o intervalo de 24h. . . 56 –

FIGURA 26 Barra de tarefas observada no gr´afico. . . 57 –

FIGURA 27 Resultado do prot´otipo. . . 57 –

FIGURA 28 Tela de terminal do sistema supervis´orio. . . 58 –

FIGURA 29 Acesso remoto por um celular. . . 59 –

FIGURA 30 Menu inicial do acesso remoto por um celular. . . 60 –

FIGURA 31 Gr´afico observado pelo acesso remoto por um celular. . . 60 –

SIN Sistema Interligado Nacional CPU Central Processing Unit ARM Advanced RISC Machine

SD Secure Digital

IoT Internet of Things

GPIO General Purpose Input/Output LED Light Emitting Diode

USB Universal Serial Bus

UTFPR Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a

CAPES Coordenac¸˜ao de Aperfeic¸oamento de Pessoal de N´ıvel Superior VNC Virtual Network Computing

SCADA Supervisory Control and Data Aquisition pH Potencial Hidrogeniˆonico

MATLAB MATrix LABoratory

LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench CLP Controlador L´ogico Program´avel

SABESP Companhia de Saneamento B´asico do Estado de S˜ao Paulo OPC OLE for Process Control

PWM Pulse-Width Modulation

RAM Random Access Memory

HDMI High-Definition Multimedia Interface AMD Advanced Micro Devices

EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory TTL Transistor-Transistor Logic

PTC Positive Temperature Coefficient SPI Serial Peripheral Interface I2C Inter-Integrated Circuit

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter NASA National Aeronautics and Space Administration IDLE Integrated Development and Learning Environment VNC Virtual Network Computing

RFB Remote Frame Buffer

SSH Secure Shell

SQL Structured Query Language PVC Policloreto de vinila

IHM Interface Homem-M´aquina IP Internet Protocol

1 INTRODUC¸ ˜AO . . . 5 1.1 TEMA . . . 5 1.1.1 Delimitac¸˜ao do Tema . . . 6 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS . . . 9 1.3 OBJETIVOS . . . 10 1.3.1 Objetivo Geral . . . 10 1.3.2 Objetivos Espec´ıficos . . . 11 1.4 JUSTIFICATIVA . . . 11

1.5 PROCEDIMENTOS METODOL ´OGICOS . . . 11

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO . . . 12

2 FUNDAMENTAC¸ ˜AO TE ´ORICA . . . 14

2.1 AUTOMAC¸ ˜AO . . . 14

2.2 SISTEMA SUPERVIS ´ORIO . . . 15

2.3 SISTEMAS DE MEDIC¸ ˜AO DE ´AGUA . . . 16

2.3.1 Trabalhos Feitos sobre o Assunto . . . 16

2.3.2 Principais m´etodos de medic¸˜ao de vaz˜ao de l´ıquidos . . . 19

2.3.3 Hidrˆometros mecˆanicos . . . 19

2.3.4 Hidrˆometros volum´etricos . . . 20

2.3.5 Hidrˆometros taquim´etricos ou de velocidade . . . 20

2.3.6 Hidrˆometros ´umidos e secos . . . 20

2.3.7 Hidrˆometro magn´etico . . . 20

2.3.8 Hidrˆometro com sensor de efeito Hall . . . 21

2.4 RASPBERRY PI . . . 22

2.4.1 Portas GPIO . . . 23

2.5 SOFTWARE E LINGUAGEM DE PROGRAMAC¸ ˜AO . . . 26

2.6 INTEGRAC¸ ˜AO E APRESENTAC¸ ˜AO . . . 27

3 DESENVOLVIMENTO DO PROT ´OTIPO . . . 29

3.1 TESTES INICIAIS E PRIMEIROS CONTATOS . . . 29

3.2 DESENVOLVIMENTO E DETALHAMENTO DO SOFTWARE . . . 31

3.2.1 Sensor de vaz˜ao . . . 34

3.2.2 Banco de Dados . . . 35

3.2.3 Gr´afico/Twitter . . . 37

3.2.4 Acesso Remoto . . . 41

3.2.5 Medic¸˜ao Simultˆanea de V´arios Fluxos de ´Agua . . . 46

4 DISCUSS ˜AO DE RESULTADOS . . . 49

4.1 PROT ´OTIPO FINAL E TESTES . . . 49

4.2 RESULTADOS OBTIDOS . . . 53

4.2.1 Interface Homem-M´aquina . . . 53

4.2.2 Gr´aficos . . . 55

4.2.3 Acesso Remoto . . . 57

4.2.4 An´alise de Custo do Sistema . . . 61

5 CONCLUS ˜OES E CONSIDERAC¸ ˜OES . . . 63

Apˆendice C -- C ´ODIGO-FONTE DO PROGRAMA GR ´AFICO . . . 72 Anexo A -- FICHA DE DADOS DO SENSOR DE VAZ ˜AO . . . 78

1 INTRODUC¸ ˜AO

1.1 TEMA

Acredita-se que atualmente pelo menos 2,7 bilh˜oes de pessoas no mundo (i.e., aproximadamente 40% da populac¸˜ao mundial) vivem em regi˜oes que passam por severa escassez de ´agua por pelo menos um mˆes no ano (HOEKSTRA et al., 2012). A disponibilidade de ´agua pot´avel ´e um problema crescente em todo o planeta. A Calif´ornia se prepara para o que pode ser o seu quinto ano consecutivo de seca, fazendo com que a populac¸˜ao adote v´arias medidas para economizar ´agua. No Brasil, devido `a seca de 2014, v´arios sistemas de captac¸˜ao de ´agua estavam pr´oximos do volume morto na data desta pesquisa, comprometendo a seguranc¸a h´ıdrica da nac¸˜ao.

Al´em do problema de abastecimento de ´agua, a escassez tamb´em causa problemas de gerac¸˜ao de energia no pa´ıs. Segundo a Empresa de Pesquisa Energ´etica (2015), o ano de 2014 foi o terceiro consecutivo em que, devido a condic¸˜oes hidrol´ogicas desfavor´aveis, houve reduc¸˜ao da oferta de energia hidr´aulica. Desse modo, o prec¸o da energia el´etrica ´e bastante suscet´ıvel a secas. Elas podem causar tanto problemas de abastecimento de ´agua pot´avel para a populac¸˜ao como aumento do custo da energia el´etrica, visto que o Sistema Interligado Nacional (SIN) necessita utilizar usinas termoel´etricas, que possuem maiores custos de operac¸˜ao.

´

E de conhecimento geral que existem v´arios investimentos em pol´ıticas e infraestrutura de recursos h´ıdricos que devem ser realizados para que secas n˜ao se tornem um problema ainda maior, como construc¸˜ao de reservat´orios e redes de saneamento b´asico. Apesar disso, acredita-se que a escasacredita-sez de ´agua em escala macro tamb´em deve acredita-ser enfrentada com soluc¸˜oes em escala micro. Um sistema de controle de gastos de ´agua em uma residˆencia ´e um projeto que auxiliaria na reduc¸˜ao de desperd´ıcios de ´agua pela populac¸˜ao, ajudando a conservar os n´ıveis dos reservat´orios e tamb´em reduzir o valor da conta de ´agua da fam´ılia, pois, como mostra a Figura 1, a ´agua ´e utilizada em v´arias situac¸˜oes cotidianas dentro de uma residˆencia, sendo de extrema importˆancia para uma fam´ılia poder reduzir seu consumo e, mais ainda, seu desperd´ıcio.

Existem v´arios dispositivos especiais de medic¸˜ao de consumo de ´agua, utilizados em larga escala pelas empresas de saneamento b´asico, por´em existem poucos, ou nenhum, sistema de baixo-custo que possibilite a visualizac¸˜ao em tempo-real dos locais de uso de ´agua em uma residˆencia. Por outro lado, microcomputadores est˜ao se popularizando cada vez mais e

Figura 1: M´edia do uso residencial da ´agua. Fonte: Donate e Tim´oteo (2015).

apresentando um custo mais reduzido. O Raspberry Pi, por exemplo, ´e um microcomputador do tamanho aproximado de um cart˜ao de cr´edito que possui poder de processamento superior a computadores de mesa de alguns anos atr´as. Lamine e Abid (2014) j´a mostraram ser poss´ıvel utilizar um sistema com o Raspberry Pi para realizar o controle de equipamentos dom´esticos.

Sendo assim, o presente trabalho prop˜oe uma abordagem utilizando os novos microcomputadores e microcontroladores de baixo custo, buscando desenvolver uma rede de monitoramento em tempo real de gasto de ´agua em uma residˆencia.

1.1.1 DELIMITAC¸ ˜AO DO TEMA

O tema proposto para o trabalho de conclus˜ao de curso foi o desenvolvimento de um sistema supervis´orio para medir os gastos relativos ao consumo de ´agua de uma residˆencia atrav´es da utilizac¸˜ao de uma Central Processing Unit (CPU) de baixo custo da fam´ılia Raspberry Pi. Como a preocupac¸˜ao ambiental ´e um aspecto muito relevante nos dias atuais, o processo de automatizac¸˜ao de qualquer fator que envolva essa quest˜ao e vislumbre uma melhora em relac¸˜ao a esse assunto tem ganhado grande destaque no cen´ario mundial, visto que muitas

soluc¸˜oes tˆem sido desenvolvidas. Esta proposta visou integrar um medidor de vaz˜ao de ´agua com um software espec´ıfico capaz de analisar dados e interpret´a-los. Sua finalidade espec´ıfica ´e a utilizac¸˜ao desses dados coletados para a criac¸˜ao de gr´aficos que auxiliam o consumidor a verificar onde se est´a gastando mais, o que pode ser feito para controlar esses gastos e tamb´em quais medidas a serem tomadas para sanar poss´ıveis problemas, tais como vazamentos em locais de dif´ıcil visualizac¸˜ao. Para isso, tanto recursos visuais como num´ericos foram utilizados.

O esquema desse sistema est´a representado na Figura 2, onde o diagrama de blocos demonstra seu funcionamento de uma maneira geral. Primeiramente, as informac¸˜oes obtidas atrav´es do sensor de vaz˜ao s˜ao transmitidas para o microcomputador Raspberry Pi, o qual ´e respons´avel por interpretar esses dados e transmiti-los ent˜ao para o computador, no qual podem ser gerados gr´aficos e planilhas para a an´alise final do sistema supervis´orio.

Figura 2: Diagrama de blocos do sistema. Fonte: Autoria pr´opria.

O microcomputador Raspberry Pi foi desenvolvido e projetado no Reino Unido pela Fundac¸˜ao Raspberry Pi. Primeiramente, o objetivo principal era desenvolver uma CPU acess´ıvel para todos e que pudesse ser facilmente alcanc¸ada e adquirida por qualquer um, para que todas as escolas do Reino Unido que lecionassem alguma mat´eria relacionada `a inform´atica e tecnologias, como Ciˆencias da Computac¸˜ao, pudessem disponibilizar material de estudo para todos os alunos (RASPBERRY PI FOUNDATION, 2015b). A ideia principal foi atingida, sendo que se desenvolveu um dispositivo acess´ıvel para pessoas de qualquer idade e compat´ıvel com linguagens de programac¸˜ao como Python.

Esta CPU ´e muito pequena, com dimens˜oes reduzidas em relac¸˜ao `as convencionais e, apesar de possuir todo seu hardware integrado em uma ´unica placa, tem o tamanho aproximado de um cart˜ao de cr´edito. Seu prec¸o tamb´em ´e bastante acess´ıvel em relac¸˜ao `as demais, sendo que em m´edia a Fundac¸˜ao Raspberry Pi comec¸ou a aceitar pedidos do modelo de US$35 a partir de 29 de fevereiro de 2012 (SPLAT SPACE, 2015).

modelos A+ e B+ e a vers˜ao 2 modelo B (RASPBERRY PI FOUNDATION, 2015c). A vers˜ao 1 modelo B+ ´e a ´ultima revis˜ao do Raspberry Pi original, oferecendo grande flexibilidade. J´a a vers˜ao 1 modelo A+ ´e uma variante do B+ mais barata, menor e com menor consumo de energia, por´em com menos entradas de comunicac¸˜ao. Por fim, a vers˜ao 2 modelo B ´e a nova gerac¸˜ao do Raspberry Pi 1 modelo B+, possuindo um processador melhorado e mais mem´oria de acesso aleat´orio. O modelo B+ pode ser visualizado na Figura 3.

Figura 3: Microcomputador Raspberry Pi 1 modelo B+. Fonte: Arduino e Cia (2014).

Baseado em um sistema que integra uma unidade de processamento gr´afico com um processador ARM de quatro n´ucleos com clock de 900 MHz, o Raspberry Pi 2 n˜ao possui uma mem´oria n˜ao vol´atil, o que faz com que seja necess´aria uma entrada de cart˜ao SD para exercer a func¸˜ao dos discos r´ıgidos nos computadores tradicionais. Dessa forma, esse cart˜ao SD utilizado deve possuir no m´ınimo 4 GB para que se tenha o armazenamento de dados de forma totalmente funcional e a correta instalac¸˜ao do sistema operacional (RICHARDSON; WALLACE, 2013).

O Raspberry Pi ´e compat´ıvel com sistemas operacionais baseados em GNU/Linux, como ´e o caso do Raspbian, uma distribuic¸˜ao Linux baseada em Debian. Atualmente tamb´em ´e poss´ıvel executar no Raspberry Pi 2 o sistema operacional Windows 10 IoT, uma vers˜ao do Windows adaptada para a Internet das Coisas (MICROSOFT, 2015).

Possuindo o chamado General Purpose Input/Output - GPIO, que s˜ao pinos de conex˜ao program´aveis, o Raspberry Pi pode ser programado de acordo com a func¸˜ao desejada pelo utilizador, tanto podendo atuar como uma entrada ou sa´ıda de dados. Essa ´e uma

ferramenta que permite sua utilizac¸˜ao para diversos casos de automac¸˜ao, pois ´e poss´ıvel ler e interpretar dados, realizando as tarefas desejadas (RASPBERRY PI FOUNDATION, 2015a). Expans˜oes desses pinos permitem a interac¸˜ao e controle de LED’s, sensores e outros dispositivos, que foi o objetivo da presente proposta. Ainda, com a utilizac¸˜ao de um dispositivo denominado Gertboard, ´e poss´ıvel fazer a interface do Raspberry Pi com o Arduino, pois ele inclui um controlador compat´ıvel com este ´ultimo.

Assim sendo, optou-se pela utilizac¸˜ao do Raspberry Pi para esse projeto, visto que os autores j´a possu´ıam um maior contato e conhecimento pr´evio quando em comparac¸˜ao com o Arduino, e tamb´em pelo fato de que o emprego desse microcomputador para o desenvolvimento de aplicac¸˜oes na ´area de Engenharia vem crescendo muito nos ´ultimos anos, pois al´em de ser acess´ıvel, possui diversas maneiras de utilizac¸˜ao e permite a integrac¸˜ao com outras ´areas e dispositivos, tendo a capacidade de interagir com o mundo exterior de maneira eficaz. Dessa forma, por meio de uma conex˜ao com a internet, o microcomputador consegue se comunicar com esses dispositivos, realizando uma integrac¸˜ao efetiva, pois possui o controlador Ethernet, al´em das portas USB para realizar tal func¸˜ao. Ele ´e capaz de fazer tudo o que um computador desktopfaria, sendo que possui a vantagem de ser muito mais compacto e de menor custo. A vers˜ao do Raspberry Pi 2 modelo B custa aproximadamente R$ 300,00 (trezentos reais).

1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS

Atualmente, visto a situac¸˜ao energ´etica mundial, onde a ´agua ganha grande destaque, a preocupac¸˜ao com a quest˜ao ambiental e tamb´em em relac¸˜ao `a eficiˆencia energ´etica ´e muito grande. Tecnologias vˆem sendo desenvolvidas e aprimoradas para ajudar a melhorar problemas que envolvam desperd´ıcios em qualquer setor e tamb´em em relac¸˜ao a equipamentos e sistemas de medic¸˜ao, os quais uma vez ou outra apresentam falhas, que est˜ao suscet´ıveis a qualquer dispositivo conforme sua vida ´util. Assim, uma reduc¸˜ao do consumo de ´agua ´e importante, por exemplo, pois implica tamb´em na reduc¸˜ao de consumo de energia el´etrica, sendo que se reduz o recalque e h´a um tratamento de menor volume de ´agua.

Nesse aspecto, a presente proposta visou a utilizac¸˜ao de um sistema supervis´orio com a utilizac¸˜ao de uma dessas tecnologias, o Raspberry Pi, para automatizar o controle do gasto de ´agua de uma residˆencia por meio da comunicac¸˜ao entre um medidor de vaz˜ao com o microcomputador. Desta forma, para que a proposta solucionasse o problema em quest˜ao, alguns pontos deveram ter atenc¸˜ao especial, como foi o caso de especificar a forma que a comunicac¸˜ao com o Raspberry Pi foi feita, as entradas e sa´ıdas que foram utilizadas, como foi a alimentac¸˜ao, assim como a maneira que foram apresentados os dados coletados, definindo

filtros e parˆametros para exibic¸˜ao, e tamb´em qual foi a linguagem de programac¸˜ao utilizada. Todos esses aspectos poderiam apresentar dificuldades ao desenvolvimento deste projeto, por se tratarem de quest˜oes e procedimentos ainda n˜ao estudados pelos autores. Devido a isso, necessitaram de uma atenc¸˜ao especial e estudos mais aprofundados.

Como o Raspberry Pi ´e uma tecnologia relativamente nova e ainda n˜ao utilizada em sua plena func¸˜ao, algumas dificuldades com relac¸˜ao `a parte bibliogr´afica poderiam ser encontradas, pois apesar de existirem artigos e livros publicados (inclusive em portuguˆes), a maior parte das informac¸˜oes s˜ao encontradas na internet, em sites especializados ou relacionados a tecnologias em geral.

Outro problema que poderia ser encontrado foi em relac¸˜ao `a comunicac¸˜ao entre o microcomputador e o medidor de vaz˜ao que foi implantado na residˆencia para medir o gasto de ´agua, pois foram necess´arios alguns estudos tanto em relac¸˜ao `as entradas dos dados no Raspberry Pi, como tamb´em em relac¸˜ao `a forma como ocorre a sa´ıda desses dados do medidor em quest˜ao. Al´em disso, a forma como esses dados s˜ao convertidos para que sejam analisados e interpretados foi outro aspecto bastante importante e ao qual se deveu ter atenc¸˜ao especial para que o resultado desejado e proposto fosse atingido.

Em vista do que foi exposto, seria poss´ıvel realizar a comunicac¸˜ao efetiva entre o medidor de vaz˜ao de ´agua e o microcomputador Raspberry Pi e ainda gerar gr´aficos para an´alise dos dados e uma poss´ıvel soluc¸˜ao para evitar desperd´ıcios e economizar esse recurso natural t˜ao importante, aliando baixo custo com eficiˆencia? Quais s˜ao os requisitos para esta integrac¸˜ao?

A premissa desse projeto ´e de que ´e poss´ıvel realizar esta integrac¸˜ao de forma efetiva. Assim sendo, o trabalho em quest˜ao visou analisar as caracter´ısticas, funcionamentos e aplicac¸˜oes do Raspberry Pi, em um primeiro momento, para ent˜ao mostrar sua utilidade no contexto de automac¸˜ao residencial. Atrav´es desses estudos, foi desenvolvido um projeto para auxiliar a sociedade no aspecto relacionado ao controle de gasto de ´agua, para que esse recurso seja melhor aproveitado, desperd´ıcios sejam evitados e maneiras mais eficientes e corretas de seu uso sejam enfim empregadas.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVO GERAL

Desenvolver um sistema supervis´orio para monitoramento do consumo de ´agua em uma residˆencia utilizando um computador de baixo custo - Raspberry Pi.

1.3.2 OBJETIVOS ESPEC´IFICOS

• Realizar revis˜ao bibliogr´afica abrangente sobre sistemas supervis´orios;

• Realizar revis˜ao bibliogr´afica abrangente sobre o computador de baixo custo Raspberry Pi;

• Realizar pesquisa sobre os m´etodos comercialmente dispon´ıveis para monitoramento de consumo de ´agua;

• Conhecer as caracter´ısticas e funcionamento de hardware do Raspberry Pi, bem como suas poss´ıveis configurac¸˜oes de operac¸˜ao;

• Estudar as poss´ıveis formas de comunicac¸˜ao entre os subsistemas de aquisic¸˜ao, supervis˜ao e an´alise de dados do conjunto;

• Estudar as linguagens de programac¸˜ao dispon´ıveis e selecionar a mais adequada para a implementac¸˜ao do sistema;

• Projetar e construir um prot´otipo funcional do sistema com um supervis´orio para controle de consumo de ´agua e que apresente uma interface com o usu´ario;

1.4 JUSTIFICATIVA

Diante dos aspectos apresentados, a sociedade pode se beneficiar dos resultados oriundos da presente pesquisa, uma vez que seu enfoque nas ´areas ambiental e econˆomica s˜ao de interesse comum. Interesse esse que, devido `a atual circunstˆancia no que diz respeito `a disponibilidade e utilizac¸˜ao dos recursos h´ıdricos brasileiros, torna-se ainda mais importante. O benef´ıcio `a sociedade, com o sistema desenvolvido, vem da disponibilizac¸˜ao de um m´etodo relativamente simples e flex´ıvel para monitorar de maneira detalhada o consumo de ´agua e assim identificar poss´ıveis fontes de desperd´ıcio. Proporciona-se, assim, mais um recurso de est´ımulo a uma utilizac¸˜ao mais consciente e eficiente de um recurso natural t˜ao cr´ıtico e essencial `a nossa sobrevivˆencia como ´e a ´agua.

1.5 PROCEDIMENTOS METODOL ´OGICOS

Na realizac¸˜ao deste trabalho foram utilizados os recursos dispon´ıveis na biblioteca da Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a - UTFPR, bem como peri´odicos da Coordenac¸˜ao de Aperfeic¸oamento de Pessoal de N´ıvel Superior - CAPES e outras bases de produc¸˜oes

cient´ıficas dispon´ıveis, datasheets e cat´alogos de componentes, entre outros; onde foram coletados os dados referentes aos componentes empregados, bem como realizada a revis˜ao bibliogr´afica sobre o assunto. A seguir, um prot´otipo foi projetado e montado para proceder com os primeiros testes do sistema. Nesta mesma fase deu-se o desenvolvimento do software necess´ario para o funcionamento do prot´otipo e integrac¸˜ao dos componentes do sistema como um todo. Posteriormente foram executados os primeiros testes do prot´otipo, bem como a an´alise dos dados obtidos pelo mesmo, por meio da utilizac¸˜ao de uma interface com o usu´ario, definindo assim os ajustes necess´arios para um melhor funcionamento do sistema e eficiente coleta de dados.

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO

De forma a estruturar o desenvolvimento do trabalho e a apresentac¸˜ao dos resultados, o trabalho ´e dividido em cinco partes: Introduc¸˜ao, embasamento te´orico, desenvolvimento do prot´otipo, discuss˜ao de resultados e conclus˜oes e considerac¸˜oes.

Na parte introdut´oria, o tema e sua delimitac¸˜ao s˜ao apresentados, explicando o problema que deu origem `a proposta de trabalho. Os poss´ıveis empecilhos que devem ser resolvidos para o desenvolvimento do projeto s˜ao detalhados e as premissas e objetivos do trabalho s˜ao claramente explicitados. Tamb´em se justifica a escolha do tema e se detalham os procedimentos metodol´ogicos e estrutura do trabalho que norteia a pesquisa e desenvolvimento.

Na segunda parte, ´e realizado um levantamento bibliogr´afico sobre as poss´ıveis soluc¸˜oes j´a existentes no mercado e sobre o hardware e software que foram utilizados durante o desenvolvimento do projeto. Os aspectos te´oricos do projeto s˜ao devidamente explicados, com o objetivo de facilitar o desenvolvimento e o entendimento do projeto como um todo.

Em um terceiro momento, visa-se projetar e desenvolver o prot´otipo do sistema supervis´orio, assim como realizar testes e integrac¸˜ao dos m´odulos, com todo o detalhamento do softwaredesenvolvido. Sendo assim, essa parte ´e dividida em duas subsec¸˜oes. Na primeira s˜ao delimitados os materiais que comp˜oem as redes de aquisic¸˜ao e processamento de dados a fim de melhor atender aos objetivos propostos, definindo assim a arquitetura de hardware do sistema. Tamb´em s˜ao descritos os testes iniciais realizados e os primeiros contatos com o sistema. Na segunda subsec¸˜ao efetua-se o desenvolvimento e detalhamento do software utilizado no projeto, expondo a l´ogica de programac¸˜ao utilizada. ´E explicado como os dados recebidos pelos sensores s˜ao devidamente tratados e transmitidos para uma interface de forma a prover o usu´ario com a informac¸˜ao desejada, sendo que se utiliza o sinal de Wi-Fi do microcomputador

para efetuar a comunicac¸˜ao efetiva do mesmo com outros dispositivos, permitindo, dessa forma, controlar todo o sistema supervis´orio remotamente atrav´es de um programa VNC (Virtual Network Computing), o qual utiliza a internet. Ainda, para completar, explica-se como seria poss´ıvel realizar uma medic¸˜ao simultˆanea de v´arios fluxos de ´agua.

J´a na quarta parte s˜ao explicados os testes e simulac¸˜oes dos componentes e do sistema como um todo, al´em de se suceder a integrac¸˜ao dos m´odulos anteriormente desenvolvidos. Ocorre ent˜ao uma discuss˜ao de resultados e ´e feita uma avaliac¸˜ao geral da performance do sistema, assim como de sua capacidade de atender aos objetivos propostos no in´ıcio do projeto.

Enfim, na sec¸˜ao final s˜ao elaborados coment´arios pertinentes ao t´ermino do projeto e conclus˜oes adicionais do trabalho. ´E analisado todo o projeto em linhas gerais e tamb´em s˜ao propostas poss´ıveis melhorias que poder˜ao ser realizadas futuramente.

2 FUNDAMENTAC¸ ˜AO TE ´ORICA

Nesta sec¸˜ao realiza-se um levantamento bibliogr´afico sobre o assunto, definindo alguns conceitos sobre a automac¸˜ao em si e explicando sobre o funcionamento de sistemas supervis´orios e sistemas de medic¸˜ao de ´agua. Para isso, mostram-se alguns trabalhos j´a realizados, com poss´ıveis ideias e soluc¸˜oes j´a obtidas e que puderam nos auxiliar no desenvolvimento do presente trabalho, descrever os m´etodos de medic¸˜ao mais comumente utilizados e definir aquele que melhor se adapta a nossa proposta. Al´em disso, explica-se como ´e a comunicac¸˜ao do Raspberry Pi com o medidor de vaz˜ao escolhido, assim como o desenvolvimento do software, a linguagem de programac¸˜ao que foi utilizada para esse projeto e a apresentac¸˜ao dos dados obtidos, tudo isso visando facilitar o entendimento para o leitor das ideias propostas, assim como explicar integralmente os aspectos te´oricos que embasaram o projeto como um todo.

2.1 AUTOMAC¸ ˜AO

Pessˆoa e Sp´ınola (2014) definem automac¸˜ao como sendo a realizac¸˜ao de tarefas sem a intervenc¸˜ao humana com equipamentos e dispositivos que funcionam autonomamente e possuem a capacidade de realizar correc¸˜oes na ocorrˆencia de desvios das condic¸˜oes definidas de operac¸˜ao.

A automac¸˜ao de processos ´e algo cada vez mais comum na ind´ustria, com linhas de montagem inteiras operando muitas vezes com muito pouca ou at´e mesmo nenhuma intervenc¸˜ao humana. Entretanto, a automac¸˜ao est´a, principalmente nos ´ultimos anos, indo al´em da aplicac¸˜ao industrial. Hoje em dia j´a s˜ao encontradas no mercado diversas soluc¸˜oes em automac¸˜ao para fins residenciais, por exemplo. E esta disseminac¸˜ao e ampliac¸˜ao do campo de aplicac¸˜ao em soluc¸˜oes automatizadas possui forte tendˆencia de crescimento.

A cada dia novas soluc¸˜oes e aplicac¸˜oes em automac¸˜ao s˜ao desenvolvidas. Um dos segmentos que vem crescendo e tornando-se muito popular ´e o da automac¸˜ao residencial. Ela tem como objetivo prover soluc¸˜oes que facilitem a vida das pessoas e tornar t˜ao eficiente e proveitosa quanto poss´ıvel a interac¸˜ao entre as pessoas e o ambiente. Para tal, diversos conceitos e aparelhos que antes eram restritos a aplicac¸˜oes industriais est˜ao sendo agora empregados em residˆencias.

2.2 SISTEMA SUPERVIS ´ORIO

Moraes e Castrucci (2007) definem um Sistema Supervis´orio como um sistema digital de monitorac¸˜ao e operac¸˜ao que gerencia vari´aveis envolvidas em todo um processo. Todas as informac¸˜oes obtidas e coletadas s˜ao continuamente atualizadas e podem ser guardadas em um banco de dados local ou remoto para fins de registro hist´orico e posterior uso, como desenvolvimento de relat´orios, planilhas, gr´aficos e diversas outras func¸˜oes, variando de acordo com o interesse do usu´ario. Estes sistemas tamb´em s˜ao chamados de Supervisory Control and Data Aquisition(SCADA).

Inicialmente, os Sistemas Supervis´orios eram utilizados apenas para func¸˜oes de monitorac¸˜ao de processos, sendo por isso a denominac¸˜ao dada pelos operadores. Contudo, com a constante evoluc¸˜ao tecnol´ogica, esses sistemas incorporaram tamb´em func¸˜oes como controle do processo, as quais eram anteriormente designadas a sistemas digitais de controle distribu´ıdos (DANEELS; WAYNE, 2000). Dentre algumas caracter´ısticas de um Sistema Supervis´orio, destacam-se o fato de ele apresentar facilidade de visualizac¸˜ao gr´afica e operac¸˜ao do sistema completo pelo usu´ario, a possibilidade de gerac¸˜ao de relat´orios para an´alise do sistema e facilidade de integrac¸˜ao com outros aplicativos (software).

Dessa forma, pode-se entender um sistema supervis´orio como um sistema que permite ao usu´ario monitorar e rastrear informac¸˜oes pertinentes de um processo produtivo ou qualquer outro tipo de instalac¸˜ao. Essas informac¸˜oes s˜ao coletadas por meio de equipamentos espec´ıficos respons´aveis pela aquisic¸˜ao de dados, os quais est˜ao localizados em campo, e ent˜ao s˜ao manipuladas, analisadas e armazenadas de acordo com o interesse do usu´ario para que finalmente sejam apresentados, por meio de uma interface gr´afica, os resultados obtidos. Esse tipo de sistema ainda permite a intervenc¸˜ao do usu´ario a qualquer instante da operac¸˜ao, pois o mesmo pode enviar comandos para determinado atuador ou equipamento, podendo interferir de alguma maneira no andamento de todo o processo. Por exemplo, o usu´ario pode enviar um comando para uma v´alvula de controle para executar determinada ac¸˜ao durante o processo. Entretanto, normalmente o processo ocorre de forma autom´atica para evitar erros ou at´e mesmo minimizar o tempo de atuac¸˜ao.

H´a uma vasta gama no tipo de informac¸˜oes que podem ser analisadas durante um processo de um sistema supervis´orio. Como exemplo, podemos citar a medic¸˜ao da press˜ao da ´agua de determinado reservat´orio, assim como o n´ıvel do mesmo, o pH de certa substˆancia, entre outros fatores. No presente trabalho, o aspecto de interesse d´a-se na vaz˜ao de ´agua de uma residˆencia, para que sejam tomadas as medidas cab´ıveis para um melhor controle e poss´ıveis

melhorias em seu consumo.

2.3 SISTEMAS DE MEDIC¸ ˜AO DE ´AGUA

Gradativamente, v´arias t´ecnicas de controle inteligente vˆem sendo aplicadas em diversas esferas na sociedade, utilizando-se v´arias ´areas do conhecimento para melhorar o controle e monitoramento de recursos naturais, uma preocupac¸˜ao cada vez mais presente nos dias atuais. Estas t´ecnicas tiveram um desenvolvimento bastante significativo quando a tecnologia de processamento se tornou mais eficiente e acess´ıvel.

Tanto nas ind´ustrias como em residˆencias, que s˜ao o foco principal do presente trabalho, o desenvolvimento desses estudos somente foi poss´ıvel devido `a automac¸˜ao de sistemas, que a cada dia que passa torna-se mais abrangente e de mais f´acil acesso `a populac¸˜ao.

No t´opico a seguir, apresentam-se alguns trabalhos e estudos j´a realizados acerca de assuntos pertinentes ao presente trabalho e que foram utilizados como referencial te´orico para o desenvolvimento do mesmo, incluindo a aplicabilidade de t´ecnicas de controle moderno em aplicac¸˜oes pr´aticas diversificadas, como aquelas que utilizaram sistemas supervis´orios, outros que implementaram um controle e/ou monitoramento do consumo de ´agua e, ainda, um trabalho que utilizou uma tecnologia nova, o Ardu´ıno, para fazer todo esse processo. Entretanto, deixa-se claro que estes trabalhos deixa-serviram apenas como embasamento para os autores do predeixa-sente projeto definirem a melhor e mais vi´avel maneira de realizar a proposta, na qual, por facilidade e uma maior experiˆencia, optou-se pela utilizac¸˜ao do Raspberry Pi.

2.3.1 TRABALHOS FEITOS SOBRE O ASSUNTO

Capanema (2004) realizou um estudo na Estac¸˜ao de Tratamento de ´Agua do Rio das Velhas, localizada em Nova Lima, Regi˜ao Metropolitana de Belo Horizonte, para avaliar a utilizac¸˜ao de instrumentac¸˜ao anal´ıtica para fins de controle do processo de coagulac¸˜ao e desenvolver modelos que, associados a t´ecnicas de controle, poderiam ser utilizados para se efetuar o controle autom´atico da dosagem do coagulante. Definidos os instrumentos mais adequados para o estudo, foi constru´ıda tamb´em uma base de dados que possibilitou avaliar a relac¸˜ao entre as vari´aveis do processo, utilizando-se para isso de gr´aficos. O sistema constru´ıdo para a predic¸˜ao da turbidez da ´agua decantada utilizou o software MATLAB, por meio de um programa em linguagem de programac¸˜ao C++, o qual foi conectado a um sistema supervis´orio, possibilitando a aquisic¸˜ao dos valores das vari´aveis de entrada e o registro gr´afico da sa´ıda. A autora conseguiu desenvolver todo o sistema com sucesso, pois o mesmo pˆode ser utilizado para

ajustar a dosagem do coagulante, compensando o tempo morto da planta.

Coelho (2015) desenvolveu um sistema de controle e supervis˜ao de uma central de abastecimento de ´agua de um pr´edio. Uma vis˜ao geral do sistema pode ser visto na Figura 4. Seu principal objetivo foi evidenciar como o sistema funcionava antes do emprego do supervis´orio e como funcionou depois, mostrando o potencial na economia de gastos financeiros e, principalmente, diminuic¸˜ao do desperd´ıcio de ´agua. Para desenvolver esse sistema, o autor utilizou um medidor de vaz˜ao eletromagn´etico e um sistema supervis´orio desenvolvido no software LabVIEWT M, no qual foi poss´ıvel simular todo o processo e desenvolver relat´orios condizentes com o que era esperado. Tudo isso em uma ´unica interface, o que simplificou o trabalho do corpo de funcion´arios, sendo que o programa era muito intuitivo e n˜ao demandou muito conhecimento para sua manipulac¸˜ao. Ao final, teve ˆexito, pois mostrou a facilidade de controlar e manipular o sistema todo tamb´em via acesso remoto.

Figura 4: Sistema desenvolvido por Coelho. Fonte: Coelho (2015).

Spolaor (2011) utilizou a automac¸˜ao em sistemas de saneamento por meio da implementac¸˜ao de uma ”inteligˆencia artificial” para a tomada de decis˜ao operacional, o qual visou uma melhor distribuic¸˜ao de ´agua entre reservat´orios de distribuic¸˜ao. Para isso, o autor empregou um sistema de controle e aquisic¸˜ao de dados, empregando CLP’s e alguns sensores e atuadores, entre os quais destacamos o uso do medidor magn´etico de vaz˜ao. O sistema desenvolvido foi aplicado em um projeto desenvolvido pela Companhia de Saneamento B´asico do Estado de S˜ao Paulo (SABESP), no qual se obteve sucesso, pois contribuiu para uma melhoria significativa do sistema de armazenamento e distribuic¸˜ao, al´em de ter trazido ganhos relacionados ao atendimento das demandas di´arias de ´agua desse mesmo sistema.

uma grande empresa multinacional localizada no Paran´a atrav´es de um sistema supervis´orio e com a utilizac¸˜ao de equipamentos como Controladores L´ogicos Program´aveis (CLP’s). O sistema utilizou um software de supervis˜ao e controle, equipamentos diversos (dentre os quais destacou-se o medidor eletromagn´etico de vaz˜ao) e a comunicac¸˜ao entre os diversos m´odulos se deu por meio do emprego da tecnologia OLE for Process Control (OPC), que possibilitou a troca de dados entre gerenciadores em tempo real e de forma aberta. Os resultados obtidos foram satisfat´orios, pois Interfaces Homem-M´aquina foram desenvolvidas para permitir que usu´arios pudessem inserir e monitorar os medidores de ´agua de toda a f´abrica.

Marcos (2009) desenvolveu uma proposta para a automatizac¸˜ao da estac¸˜ao elevat´oria de ´agua do Campus Morro do Cruzeiro, da Universidade Federal de Ouro Preto. Seu objetivo foi viabilizar um sistema eficiente, seguro e de qualidade, o qual pudesse trazer benef´ıcios com a diminuic¸˜ao de perdas e energia. Foram identificados os problemas do sistema utilizado, que era manual e sem sensores, e, a partir dessa an´alise, elaborou-se uma proposta de uma estac¸˜ao elevat´oria automatizada que operaria de forma desassistida e confi´avel. Dentro desse sistema supervis´orio, a autora tamb´em empregou um dispositivo para medic¸˜ao de vaz˜ao do tipo eletromagn´etico, o que se destaca nesse estudo.

Carvalho (2012) desenvolveu um controlador n˜ao-linear aplic´avel a redes pressurizadas de distribuic¸˜ao de ´agua setorizadas, automatizadas e com sistema de bombeamento distribu´ıdo, que visou minimizar o consumo de energia el´etrica. O sistema desenvolvido possu´ıa transdutores de press˜ao e de vaz˜ao, conversores de frequˆencia, v´alvulas com controle proporcional e ramais de distribuic¸˜ao de ´agua, com topologias diferentes e que permitiram simular diversas situac¸˜oes operacionais da rede de abastecimento, em func¸˜ao da variac¸˜ao da demanda de ´agua ao longo do tempo. O sistema supervis´orio constru´ıdo adquiria os dados necess´arios, fornecidos pelos instrumentos de monitoramento da rede, e processava os dados em tempo real, utilizando programas desenvolvidos nos softwares MATLAB e LabV IEWT M. Os resultados obtidos comprovaram que ´e mais econˆomico operar a rede com os dois conjuntos de bombeamento e proporcionar um melhor desempenho para atingir e equilibrar as press˜oes da rede com a ac¸˜ao dos dois bombeamentos atuando simultaneamente.

Takamiya (2013) apresentou um projeto com o objetivo de construir um sistema supervis´orio de consumo de ´agua e energia el´etrica fazendo uso de componentes eletrˆonicos b´asicos, entre eles o Ardu´ıno. Construiu-se um modelo experimental e obteve-se, com ˆexito, uma projec¸˜ao de gastos acumulados mensalmente, podendo reduzi-los consumindo-se com moderac¸˜ao. Na Figura 5 temos o diagrama de blocos do sistema desenvolvido por Takamiya.

Figura 5: Sistema desenvolvido por Takamiya. Fonte: Takamiya (2013).

2.3.2 PRINCIPAIS M ´ETODOS DE MEDIC¸ ˜AO DE VAZ ˜AO DE L´IQUIDOS

Os medidores d’´agua, chamados hidrˆometros, podem ser dos mais variados tipos e classes. Os hidrˆometros s˜ao frequentemente classificados conforme sua aplicac¸˜ao, usualmente residencial ou industrial, para medic¸˜ao da vaz˜ao de ´agua quente ou fria e quanto ao seu princ´ıpio de funcionamento e caracter´ısticas construtivas. A classificac¸˜ao dos hidrˆometros como sendo para uso residencial ou industrial est´a mais relacionada ao porte do instrumento em si do que a outras mudanc¸as e caracter´ısticas de funcionamento. J´a a classificac¸˜ao quanto ao princ´ıpio de funcionamento utilizado possui certa relevˆancia, visto que dependendo da aplicac¸˜ao visada para o instrumento, certos tipos de hidrˆometros ter˜ao melhor resposta do que outros. A seguir ser˜ao detalhados os principais tipos de hidrˆometros de acordo com o Servic¸o Autˆonomo Municipal de ´Agua e Esgoto - Caxias do Sul (2014).

2.3.3 HIDR ˆOMETROS MEC ˆANICOS

S˜ao os hidrˆometros que tˆem sistema de medic¸˜ao mecˆanica. Os movimentos da turbina s˜ao transferidos mecanicamente ao conjunto de engrenagens que comp˜oe o totalizador para que seja indicado o consumo.

2.3.4 HIDR ˆOMETROS VOLUM ´ETRICOS

Estes hidrˆometros s˜ao compostos por um recipiente que se enche com a entrada do l´ıquido e transporta para a sa´ıda do medidor um determinado volume. O transporte d´a-se pela diferenc¸a de press˜ao, que ´e maior na entrada do que na sa´ıda do aparelho. Um ˆembolo presente no interior do medidor executa ent˜ao um movimento circular em torno do pr´oprio eixo, gerando os movimentos necess´arios para acionar o totalizador. Sendo assim, o valor consumido indicado no medidor ´e proporcional `a quantidade de rotac¸˜oes do ˆembolo.

2.3.5 HIDR ˆOMETROS TAQUIM ´ETRICOS OU DE VELOCIDADE

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E um tipo de hidrˆometro que tem o mecanismo interno acionado pelo l´ıquido em movimento que passa pelo hidrˆometro a uma certa velocidade. Ao entrar no medidor, o fluido ´e direcionado em um ou mais jatos e aciona a turbina ou h´elice, gerando assim movimentos de rotac¸˜ao. O valor indicado no medidor ´e um registro proporcional `a rotac¸˜ao da turbina, sendo indicado o volume em metro c´ubico ou litros.

2.3.6 HIDR ˆOMETROS ´UMIDOS E SECOS

Hidrˆometros ´umidos s˜ao aqueles que tˆem todo o mecanismo interno mergulhado no l´ıquido medido. Tanto a h´elice quanto os conjuntos mecˆanicos de engrenagens e o totalizador est˜ao completamente submersos. J´a os hidrˆometros secos s˜ao os que tˆem placa separadora, que como o pr´oprio nome sugere, separa o medidor em duas partes: uma molhada e outra seca. Na parte submersa do medidor encontra-se a h´elice e na parte seca ´e montado o totalizador.

2.3.7 HIDR ˆOMETRO MAGN ´ETICO

´

E um dos medidores mais flex´ıveis e universais dentre os m´etodos de medic¸˜ao de vaz˜ao. Se baseia na criac¸˜ao de potencial el´etrico pelo movimento de um fluido condutor atrav´es de um campo magn´etico gerado exteriormente. O hidrˆometro magn´etico ´e virtualmente insens´ıvel `a densidade e `a viscosidade do fluido de medic¸˜ao. Medidores magn´eticos s˜ao, portanto, ideais para medic¸˜ao de produtos qu´ımicos altamente corrosivos, fluidos com s´olidos em suspens˜ao, lama, ´agua, polpa de papel, etc.

Sua aplicac¸˜ao estende-se desde saneamento at´e ind´ustrias qu´ımicas, papel e celulose, minerac¸˜ao e ind´ustrias aliment´ıcias. A ´unica restric¸˜ao, em princ´ıpio, ´e que o fluido tem que ser eletricamente condutivo. Tem ainda como limitac¸˜ao o fato de fluidos com propriedades

magn´eticas adicionarem um certo erro de medic¸˜ao.

2.3.8 HIDR ˆOMETRO COM SENSOR DE EFEITO HALL

A medic¸˜ao do fluxo de ´agua que passa pelo sensor escolhido, conforme ficha de dados dispon´ıvel no Anexo “A” deste trabalho, ´e realizada atrav´es da medic¸˜ao da velocidade de rotac¸˜ao do eixo do dispositivo com um sensor de efeito Hall.

O efeito Hall ocorre quando uma corrente el´etrica flui de forma perpendicular a um campo magn´etico, conforme Figura 6. Os portadores de carga em movimento sofrem a ac¸˜ao de uma forc¸a magn´etica perpendicular `a direc¸˜ao de sua velocidade. Isso faz com que as cargas se desviem de seu caminho retil´ıneo, concentrando-se em um dos lados do condutor. Essa diferenc¸a no posicionamento das cargas entre v´arios pontos do condutor faz com que se crie uma diferenc¸a de potencial el´etrica entre os dois lados da placa. Ent˜ao essa tens˜ao pode ser medida com um volt´ımetro, determinando-se assim a intensidade do campo magn´etico.

Figura 6: Descric¸˜ao do Efeito Hall em Semicondutor. Fonte: Braga (2016).

Desse modo, um sensor de efeito Hall ´e um transdutor que varia sua tens˜ao de sa´ıda em resposta a um campo magn´etico. Na sua forma mais simples, ele retorna diretamente um valor anal´ogico de tens˜ao. Se o campo magn´etico no sensor for conhecido, como no caso do campo gerado por um im˜a permanente, ´e poss´ıvel determinar a distˆancia entre a placa condutora e a fonte do campo magn´etico. Esses sensores s˜ao comumente utilizados para determinar a velocidade de eixos e rotores, por exemplo, em servomotores.

Geralmente esses sensores s˜ao integrados a um circuito que permite ao dispositivo atuar de forma digital. Como ´e poss´ıvel construir transdutores de efeito Hall com processos padr˜ao de circuitos integrados e integrar circuitos de processamento de sinal em um mesmo

chip de sil´ıcio, esses sensores podem ser fabricados de forma r´apida e barata (RAMSDEN, 2011).

Se o sensor de efeito Hall for conectado a uma pequena turbina pela qual passa ´agua, ´e poss´ıvel se determinar o volume de ´agua que passa pela turbina atrav´es da contagem do n´umero de rotac¸˜oes da mesma em torno de seu eixo. Quando a ´agua passa, as p´as da turbina giram, acionando o sensor de efeito Hall.

Enfim, o sinal gerado pelo sensor devido a passagem da ´agua ´e do tipo Modulado por Largura de Pulso (em inglˆes, Pulse-Width Modulation - PWM). Cada pulso do PWM representa um volume fixo de ´agua passando pelo sensor. Neste trabalho se pretende utilizar a func¸˜ao interrupc¸˜ao dos pinos de entrada do Raspberry Pi para incrementar uma vari´avel que ir´a contar o n´umero de pulsos. Ent˜ao esse valor ser´a convertido para o volume de ´agua que passou pela turbina e armazenado em um banco de dados junto com o hor´ario da medic¸˜ao. Esse processo ser´a descrito mais detalhadamente nas pr´oximas sec¸˜oes deste trabalho.

2.4 RASPBERRY PI

O Raspberry Pi ´e uma linha de computadores do tamanho aproximado de cart˜oes de cr´edito feitos a partir de uma placa de circuito ´unica. Ele foi desenvolvido na Fundac¸˜ao Raspberry Pi, na Inglaterra, com o objetivo original de promover o ensino b´asico de ciˆencias da computac¸˜ao em escolas e pa´ıses em desenvolvimento (BBC NEWS, 2011). A origem do nome tamb´em ´e bastante interessante.

”It’s (called) ’Raspberry’ because there’s a long tradition of fruit names in computer companies [...]. ’Pi’ is a mangling of ’Python’, which we thought early on in development would be the only programming language available on a much less powerful platform than the Raspberry Pi we ended up with.”(UPTON; HALFACREE, 2014)1

Na data deste trabalho s˜ao vendidos cinco modelos diferentes do Raspberry Pi: modelo A+, modelo B+, Pi 2 modelo B, Pi 3 modelo B, e Pi Zero. O modelo A+ ´e variac¸˜ao de baixo custo do Raspberry Pi. Ele possui 256MB de mem´oria RAM, uma porta USB, 40 pinos GPIO e nenhuma porta Ethernet. O modelo B+ ´e a revis˜ao final do Raspberry Pi original. Ele possui 512 MB de RAM (o dobro que o A+), quatro portas USB, 40 pinos GPIO e uma porta Ethernet.

1_{” ´E (chamado) ’Framboesa’ (em inglˆes, Raspberry) porque existe uma longa tradic¸˜ao de nomes de fruta em}

empresas de inform´atica [...]. ’Pi’ ´e uma contrac¸˜ao de ’Python’, que durante o comec¸o do desenvolvimento n´os pens´avamos que seria a ´unica linguagem de programac¸˜ao dispon´ıvel em uma plataforma muito menos poderosa que o Raspberry Pi com que terminamos.”(UPTON; HALFACREE, 2014, traduc¸˜ao nossa)

Em fevereiro de 2015, o modelo B+ foi sucedido pelo Pi 2 modelo B, a segunda gerac¸˜ao do Raspberry Pi. O Pi 2 modelo B possui muitas especificac¸˜oes em comum com o Pi 1 B+, mas utiliza um processador ARM Cortex-A7 quad-core de 900 MHz e possui 1 GB de RAM. O Pi 2 modelo B ´e completamente compat´ıvel com as placas da primeira gerac¸˜ao e ´e o modelo recomend´avel para uso em escolas, devido a sua flexibilidade. O Pi 3 modelo B foi lanc¸ado em fevereiro de 2016. Ele utiliza um processador 64-bit ARM Cortex-A53 quad-core de 1,2 GHz, possui 1 GB de RAM, rede sem fios 802.11n integrada e Bluetooth 4.1. Finalmente, o Pi Zero tem metade do tamanho do modelo A+, com um processador single-core de 1 GHz, 512 MB de RAM, mini-HDMI e porta USB On-The-Go (RASPBERRY PI FOUNDATION, 2016b).

Preferiu-se utilizar o Raspberry Pi 2 modelo B para este trabalho por sua maior flexibilidade para diferentes tipos de projeto e por possuir uma placa e processador compat´ıveis com a maioria dos programas e dispositivos j´a existentes para o Raspberry Pi. Al´em disso, ele possui maior capacidade de processamento e mem´oria que o Pi modelo B+, conforme descrito no par´agrafo anterior.

O processador BCM2836 ´e o centro do Raspberry Pi 2 e ´e baseado na arquitetura ARMv7. Seu baixo consumo de energia permite que o microcomputador seja alimentado por uma pequena fonte USB de 5 V e 2 A. Essa eficiˆencia tamb´em faz com que a placa n˜ao necessite de nenhum dissipador de calor. Por outro lado, o Raspberry Pi n˜ao ´e compat´ıvel com programas tradicionais de computador. A maioria dos programas para computadores laptop e desktop ´e desenvolvida tendo em mente a arquitetura x86, utilizada em processadores comuns como Intel e AMD. Desse modo, eles n˜ao rodam na arquitetura ARM do Raspberry Pi. Entretanto, existem v´arias opc¸˜oes de programas j´a dispon´ıveis para o microcomputador e ´e relativamente f´acil desenvolver novos algoritmos.

2.4.1 PORTAS GPIO

Um dos mais importantes recursos do Raspberry Pi ´e a fileira de pinos GPIO - General Purpose Input/Output(em portuguˆes, Entrada/Sa´ıda de Uso Geral) que se localiza pr´oximo `a lateral da placa, conforme Figura 7.

Estes pinos realizam a interface entre a programac¸˜ao do Raspberry (o mundo virtual) e os dispositivos f´ısicos que podem ser conectados `a placa (o mundo real). Eles podem ser configurados como entrada ou sa´ıda. Dos 40 pinos mostrados na Figura 7, 26 s˜ao pinos GPIO, dois s˜ao pinos ID EEPROM2e os outros s˜ao pinos de energia ou referˆencia de tens˜ao, conforme

2_{Conforme o esquem´atico de Raspberry Pi Foundation (2014), durante a inicializac¸˜ao do Raspberry Pi essa}

Figura 7: Pinos do Raspberry Pi 2. Fonte: Raspberry Pi Foundation (2016a).

Figura 8.

Figura 8: Numerac¸˜ao dos Pinos do Raspberry Pi 2. Fonte: Hawkins (2016).

A numerac¸˜ao dos pinos dentro dos c´ırculos na Figura 8 ´e a chamada numerac¸˜ao f´ısica, que ´e a forma que faz mais sentido para os usu´arios e programadores. Dentro do computador, entretanto, a numerac¸˜ao ocorre de forma diferente e os n´umeros n˜ao seguem uma ordem espec´ıfica, devendo-se consultar a legenda dos pinos da Figura 8.

Os pinos 2 e 4 fornecem tens˜ao de 5 V e s˜ao alimentados diretamente da fonte de energia da placa. Logo, eles podem fornecer tanta corrente quanto ainda estiver dispon´ıvel pela fonte ap´os a alimentac¸˜ao dos componentes da pr´opria placa. Por exemplo, com uma fonte de 1 A e um consumo da placa de 700 mA, o pino 2 pode fornecer at´e 300 mA. Os pinos 1 e 17, por outro lado, tˆem tens˜ao de 3,3 V e corrente m´axima de 50 mA, independentemente da fonte utilizada (HAWKINS, 2016).

A corrente m´axima de entrada ou sa´ıda de cada pino ´e 16 mA, podendo ser configurada para uma corrente de sa´ıda m´axima de no m´ınimo 2 mA. O barramento, entretanto, suporta no m´aximo 50 mA de sa´ıda de corrente total em todos os pinos GPIO e tamb´em nos pinos 1 e

17. J´a a tens˜ao de n´ıvel alto para entrada ou sa´ıda dos pinos GPIO ´e de 3,3 V, a mesma tens˜ao utilizada pelo processador.

Deve-se tomar cuidado, pois o Raspberry Pi n˜ao possui um sistema de protec¸˜ao contra sobrecorrente ou sobretens˜ao nas portas GPIO. Ele n˜ao utiliza o sistema de l´ogica digital padr˜ao (l´ogica TTL). Algumas vers˜oes do Raspberry possuem um fus´ıvel regenerativo (tamb´em conhecido como termistor PTC), por´em ele protege somente a entrada geral de energia do dispositivo.

Todos os pinos GPIO podem ser reconfigurados para realizar func¸˜oes alternativas, como Interface Perif´erica Serial, Modulac¸˜ao por Largura de Pulso e Circuito Inter-Integrado. A Interface Perif´erica Serial (em inglˆes, Serial Peripheral Interface - SPI) ´e um protocolo de dados seriais s´ıncronos que pode ser utilizado para comunicac¸˜ao entre o controlador e perif´ericos. J´a a Modulac¸˜ao por Largura de Pulso (em inglˆes, Pulse-Width Modulation - PWM) ´e a gerac¸˜ao de um sinal de onda quadrada com raz˜ao c´ıclica modulada, podendo ser utilizado para transportar informac¸˜oes. Por fim, o Circuito Inter-Integrado (em inglˆes, Inter-Integrated Circuit - I2C) ´e um barramento de comunicac¸˜ao especial entre o Raspberry e um EEPROM, permitindo a configurac¸˜ao autom´atica de GPIOs.

Durante a reinicializac¸˜ao, os pinos 14 e 15 s˜ao designados com a func¸˜ao Receptor/Transmissor Universal Ass´ıncrono (em inglˆes, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter - UART), podendo ser reconfigurados como GPIO. A UART ´e um m´odulo que cont´em os circuitos para as comunicac¸˜oes seriais ass´ıncronas.

Al´em disso, todos os pinos GPIO podem ser configurados para interrupc¸˜ao, de alta, baixa, subida, descida ou mudanc¸a. Ou seja, o programa chama uma func¸˜ao interna quando ocorre uma mudanc¸a no sinal ligado no pino, permitindo deixar o c´odigo mais eficiente e responsivo. Tamb´em ´e poss´ıvel programar resistores internos de pull-up e pull-down, que mantˆem o n´ıvel de uma entrada GPIO como alto ou baixo na ausˆencia de um sinal de entrada. Como a impedˆancia de entrada do GPIO ´e muito alta, isso evita que a tens˜ao varie devido a ru´ıdos externos.

Por fim, o Raspberry Pi n˜ao possui qualquer tipo de porta especializada na entrada ou sa´ıda de dados anal´ogicos. Esse problema pode ser facilmente resolvido com a adoc¸˜ao de conversores anal´ogico-digital acoplados aos pinos presentes, ou ainda diretamente no USB. V´arios modelos de conversores est˜ao dispon´ıveis na Internet, bem como as bibliotecas necess´arias para que eles operem de forma adequada.

Raspberry Pi 2 (modelo BCM2836), por´em o modo de configurar essas func¸˜oes pode ser visto no datasheet da vers˜ao anterior do processador (modelo BCM2835), conforme Broadcom Corporation (2012).

2.5 SOFTWARE E LINGUAGEM DE PROGRAMAC¸ ˜AO

O Raspberry Pi, sendo um computador rodando um sistema operacional completo baseado em Linux, permite uma variedade de linguagens de programac¸˜ao dispon´ıveis para o desenvolvimento deste projeto. Dentre essas, duas se destacaram entre as demais devido a suas grandes popularidades: Python e linguagem C.

As duas linguagens possuem bibliotecas especializadas para o controle das portas GPIO. A Python possui a biblioteca RPi.GPIO, da Python Software Foundation (2016b), para controlar os pinos GPIO. Por outro lado, a linguagem C possui a biblioteca pigpio, que tamb´em realiza v´arias das mesmas func¸˜oes que a RPi.GPIO.

Na verdade, devido `a natureza dos Raspberry Pi, ambas as linguagens n˜ao s˜ao adequadas para uma aplicac¸˜ao verdadeiramente em tempo real. N˜ao ´e poss´ıvel controlar totalmente o tempo de execuc¸˜ao dos comandos, pois o sistema operacional ´e que gerencia o uso do processador pelos processos. Al´em disso, a linguagem Python, por padr˜ao, realiza garbage collection(em portuguˆes, coleta de lixo), uma forma de gerenciamento autom´atico de mem´oria que tenta liberar mem´oria ocupada por objetos que n˜ao est˜ao mais em uso pelo programa. A coleta de lixo em Python pode ser desabilitada, mas quando est´a ativa sua pesquisa pode utilizar v´arios ciclos de processamento, inviabilizando a execuc¸˜ao em tempo real.

Apesar disso, a frequˆencia do sinal gerado pelo sensor de fluxo de ´agua ´e da ordem de 100 Hz, muito mais lenta que a frequˆencia do processador do computador (900 MHz). Sendo assim, acabou-se decidindo utilizar a linguagem de programac¸˜ao Python, pois o Raspberry Pi foi originalmente desenvolvido para ser utilizado com esta linguagem.

Conforme Python Software Foundation (2016a), Python ´e uma linguagem interpretada de alto n´ıvel, com muitos recursos e f´acil de aprender. Al´em disso, ela ´e estruturada, permite o uso de algumas func¸˜oes de programac¸˜ao orientada a objeto e possui gerenciamento autom´atico de mem´oria. Tamb´em segue uma filosofia de simplicidade de apresentac¸˜ao, de forma a deixar o c´odigo mais f´acil de ler e analisar. Foi implementada em 1989 pelo holandˆes Guido van Rossum para substituir a linguagem ABC3 e atualmente ´e utilizada por v´arias grandes organizac¸˜oes

3_{O nome Python foi escolhido de forma irreverente por Guido van Rossum por ele ser um f˜a da s´erie de televis˜ao}

como, por exemplo, Google, Yahoo e NASA.

2.6 INTEGRAC¸ ˜AO E APRESENTAC¸ ˜AO

Durante a realizac¸˜ao desse projeto, a integrac¸˜ao e apresentac¸˜ao dos dados de todo o processo proposto se d´a de uma forma relativamente simples e intuitiva, visto todas as func¸˜oes que o Raspberry Pi apresenta e a vasta gama de aplicac¸˜oes poss´ıveis de serem realizadas.

A princ´ıpio, o processo ´e composto basicamente pelo Raspberry Pi e pelo medidor de vaz˜ao eletromagn´etico, apesar de inicialmente o grupo ter utilizado um monitor, um teclado, um mouse, al´em de um cabo HDMI para realizar a comunicac¸˜ao do microcomputador com o monitor, de um adaptador Wi-Fi conectado em uma das portas USB do mesmo para obter acesso `a internet e tamb´em de uma placa de ensaio (protoboard) para fazer as conex˜oes necess´arias (devido ao uso de resistores, o que ser´a explicado mais adiante neste trabalho).

Ap´os realizados os testes iniciais do sistema, os quais tiveram o objetivo de conhecer o funcionamento do mesmo como um todo e as diversas possibilidades de comunicac¸˜ao e execuc¸˜ao das funcionalidades dos componentes escolhidos para a execuc¸˜ao do projeto, verificou-se que a melhor maneira de realizar o trabalho proposto ´e pela forma descrita a seguir.

O medidor de vaz˜ao eletromagn´etico se comunica com o Raspberry Pi atrav´es do conector GPIO de 40 pinos, sendo que o terminal positivo do mesmo, dado pelo fio de cor vermelha, pode ser ligado nos pinos 2 ou 4 (no caso, o grupo optou aleatoriamente pelo pino 2), o terminal negativo, dado pelo fio de cor preta, pode ser ligado nos pinos 6, 9, 14, 20, 25, 30, 34 ou 39 (no caso, o grupo optou aleatoriamente pelo pino 6) e outro fio de cor amarela, respons´avel pelo sinal de sa´ıda, deve ser conectado em um dos pinos respons´aveis pelo sinal de entrada digital que n˜ao possuem nenhuma func¸˜ao j´a previamente configurada neles, os quais podem ser dados pelos pinos 7, 11, 13, 15, 16, 18, 22, 29, 31, 32, 33, 35, 36, 37, 38 ou 40 (no caso, o grupo optou aleatoriamente pelo pino 16). No entanto, ´e importante observar que, como o sinal de sa´ıda do medidor de vaz˜ao ´e em 5 V e os pinos de sinais de entradas digitais do Raspberry Pi s´o admitem uma tens˜ao de 3,3 V, foi necess´ario a utilizac¸˜ao de trˆes resistores de valor 10 kΩ para reduzir essa tens˜ao e torn´a-la pr´opria para o projeto.

Al´em disso, a sa´ıda utilizada para a comunicac¸˜ao do microcomputador com a interface para a apresentac¸˜ao dos dados coletados e resultados obtidos se d´a basicamente apenas pela utilizac¸˜ao de uma das portas USB, na qual ´e conectado um aparelho respons´avel em realizar a comunicac¸˜ao do Raspberry Pi com outros computadores e equipamentos pelo sinal de Wi-Fi gerado, o qual torna poss´ıvel o controle de todo o processo por outros dispositivos de forma

remota, dispensando o uso de cabos e n˜ao sendo necess´ario estar pr´oximo do sistema para se obter os resultados e control´a-lo.

Em relac¸˜ao `a apresentac¸˜ao das informac¸˜oes obtidas e dos dados coletados atrav´es do sensor de vaz˜ao, conforme explicado anteriormente, eles s˜ao transmitidos para o microcomputador Raspberry Pi, o qual exerce a func¸˜ao de interpret´a-los e utiliz´a-los da maneira mais eficiente poss´ıvel, gerando gr´aficos e/ou planilhas para uma melhor an´alise do sistema como um todo. Dessa forma, podem ser fornecidas poss´ıveis ideias e soluc¸˜oes para economizar ´agua e evitar desperd´ıcios, pois o usu´ario tem noc¸˜ao de onde est´a gastando mais e se existem vazamentos em sua residˆencia, podendo assim tomar as medidas necess´arias para sanar esses problemas e obter um melhor controle.

Ap´os pesquisas realizadas pelo grupo, verificou-se que existem algumas bibliotecas prontas e espec´ıficas para plotar gr´aficos na linguagem Python, como por exemplo a Ploty Python Library, sendo que podem ser utilizadas para as func¸˜oes desejadas nesse projeto. Essas bibliotecas fazem gr´aficos dos mais variados tipos e estilos, como gr´aficos de linha, de dispers˜ao, de barras, histogramas, al´em de outros, incluindo 3D (PYTHON GRAPHING LIBRARY, 2016). Todo esse processo ´e realizado de maneira interativa e com grande qualidade, bastando ao usu´ario apenas escolher a maneira que se adequa `as suas intenc¸˜oes.

Outro ponto importante de se destacar ´e que para a realizac¸˜ao desse processo de apresentac¸˜ao foi ent˜ao criado um programa utilizando uma dessas bibliotecas em linguagem Python para a realizac¸˜ao dos gr´aficos e tamb´em conectado remotamente o Raspberry Pi usando uma conex˜ao VNC (Virtual Network Computing), de acordo com aquilo que se pretendia obter como resultado.

3 DESENVOLVIMENTO DO PROT ´OTIPO

3.1 TESTES INICIAIS E PRIMEIROS CONTATOS

Afim de verificar o funcionamento do sensor de vaz˜ao, montou-se um prot´otipo do sistema de medic¸˜ao, como mostrado na Figura 9.

Figura 9: Prot´otipo usado para teste. Fonte: Autoria pr´opria.

Neste primeiro teste realizado, conectou-se diretamente ao Raspberry Pi (1) um monitor (2), um teclado (3) e um mouse (4) para que fosse poss´ıvel realizar a programac¸˜ao e leitura dos dados. J´a o sensor de vaz˜ao (5), como descrito anteriormente, foi conectado ao Raspberry utilizando o conector GPIO juntamente com um conjunto de resistores de 10 kΩ (6), usados para adequar o n´ıvel de tens˜ao do sensor de vaz˜ao com o das entradas digitais (7) do Raspberry Pi.

vaz˜ao (1), os resistores (2) e o Raspberry Pi (3) e na Figura 11 pode ser visto um diagrama esquem´atico do circuito montado.

Figura 10: Detalhe das ligac¸˜oes feitas no Raspberry Pi. Fonte: Autoria pr´opria.

Figura 11: Diagrama esquem´atico do circuito montado. Fonte: Autoria pr´opria.

Neste primeiro teste com o sensor de vaz˜ao, tinha-se por objetivo experimentar de forma pr´atica o funcionamento do sensor com o Raspberry Pi e identificar poss´ıveis pontos onde poderiam haver problemas nas pr´oximas etapas de desenvolvimento do prot´otipo final. Como resultado desse primeiro teste, concluiu-se que a integrac¸˜ao do sensor de vaz˜ao com o Raspberry ocorre de maneira relativamente simples e sem grandes complicac¸˜oes. Dessa forma, a func¸˜ao e a funcionalidade do conjunto dependem do software empregado e da criatividade do desenvolvedor.

Assim sendo, esse teste e desenvolvimento de um primeiro prot´otipo, ainda que sem todas as funcionalidades e opc¸˜oes desejadas pelos autores, serviu como base para tomadas de decis˜oes acerca de como o grupo deveria proceder para realizar, de maneira mais eficiente e clara, aquilo que foi apresentado como a proposta e os objetivos esperados. Al´em disso, com esse primeiro contato com a linguagem de programac¸˜ao “Python 3” e as bibliotecas j´a existentes, ficou explicitado que realmente essa seria a melhor opc¸˜ao para o desenvolvimento final de todo o projeto, pois j´a nesse primeiro momento o grupo conseguiu realizar pequenas func¸˜oes e criar pequenas partes de c´odigos apenas para testar o funcionamento do sensor e sua comunicac¸˜ao com o microcomputador, n˜ao obtendo maiores problemas.

Dessa forma, portanto, nas sec¸˜oes seguintes s˜ao explicados o software completo desenvolvido para o perfeito funcionamento do projeto, com toda a programac¸˜ao explicada e comentada, facilitando assim o entendimento do leitor e sanando quaisquer poss´ıveis d´uvidas que porventura ele vier a ter, al´em dos resultados obtidos, com a apresentac¸˜ao de gr´aficos para elucidar e tornar mais f´acil a visualizac¸˜ao dos dados coletados. Por fim, apresentam-se as conclus˜oes realizadas com a elaborac¸˜ao de todo o projeto e, ainda, sugest˜oes de melhorias que podem ser feitas em trabalhos futuros e considerac¸˜oes para mudanc¸as no mesmo, o qual pode ser realizado de diferentes formas e com outros recursos.

3.2 DESENVOLVIMENTO E DETALHAMENTO DO SOFTWARE

Nesta sec¸˜ao realiza-se todo o detalhamento do software desenvolvido e utilizado no projeto, explicando com maior clareza os programas criados e a l´ogica de programac¸˜ao utilizada. Para desenvolver o software do supervis´orio, utilizou-se o compilador IDLE que ´e bastante comum na programac¸˜ao em linguagem Python para distribuic¸˜oes Linux como a do Raspberry Pi. Este compilador consiste de um programa de interface textual no qual s˜ao digitadas as linhas de c´odigo que dar˜ao origem ao programa final desejado. Neste caso, o programa supervis´orio. Na Figura 12 ´e poss´ıvel observar a interface textual do compilador durante a programac¸˜ao do supervis´orio.

Figura 12: Interface textual do compilador. Fonte: Autoria pr´opria.

O que vemos na Figura 12 ´e um trecho do c´odigo do programa respons´avel por gerar os gr´aficos de consumo apresentados ao usu´ario. O c´odigo em si ser´a abordado nos cap´ıtulos a seguir.

Cada um dos programas realiza uma func¸˜ao diferente que comp˜oe o todo do sistema supervis´orio. A interac¸˜ao dos programas entre si ´e representada no diagrama de blocos da Figura 13. Essas interac¸˜oes s˜ao explicadas de maneira geral nos par´agrafos a seguir e em mais detalhes durante o detalhamento de cada programa nas subsec¸˜oes seguintes.

Figura 13: Interac¸˜ao entre os elementos do sistema. Fonte: Autoria pr´opria.

O programa “flowmeter” ´e quem recebe os pulsos do sensor que est´a medindo a vaz˜ao da ´agua e os converte na informac¸˜ao de volume atrav´es de um c´alculo matem´atico. Essa informac¸˜ao ´e ent˜ao coletada pelo programa “medicao” que transfere a informac¸˜ao para o banco de dados chamado “database”. O programa “medicao” ´e, de maneira geral, o respons´avel pela troca de dados com o banco de dados que cont´em todas as medic¸˜oes realizadas.

Interagindo com o programa “medicao” temos tamb´em o programa “grafico” que como o pr´oprio nome sugere ´e respons´avel por gerar os gr´aficos de consumo que s˜ao vistos pelo usu´ario. Mas al´em de gerar os gr´aficos o programa “grafico” ´e tamb´em respons´avel por “twittar” o consumo de ´agua. Em linhas gerais o programa “grafico” funciona da seguinte maneira: primeiramente ´e solicitado ao usu´ario que escolha, dentre trˆes opc¸˜oes pr´e definidas e uma personalizada, o per´ıodo de tempo no qual deseja observar o consumo de ´agua. Com essa informac¸˜ao o programa “grafico” se comunica com o programa “medicao” para acessar os dados das medic¸˜oes salvos no banco de dados “database”. De posse desses dados o programa “grafico” realiza duas tarefas. Gera o gr´afico correspondente ao per´ıodo escolhido e ent˜ao exibe-o ao usu´ario e “twitta” a informac¸˜ao do consumo total naquele per´ıodo. Para “twittar” o consumo ´e necess´ario acessar as informac¸˜oes de login e senha da conta previamente criada na rede social Twitter. Essas informac¸˜oes s˜ao armazenadas no programa “seekrits”, que apenas cont´em esses dados necess´arios para conectar a conta do Twitter previamente criada com o sistema supervis´orio, possibilitando que o “tweet” seja gerado cada vez que o usu´ario solicita