UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO DE ELETROTÉCNICA
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
ALEXANDRE CALADO DE OLIVEIRA
SISTEMA MICROCONTROLADO PARA ANÁLISE E
MONITORAMENTO DE EMISSÃO DE GASES TÓXICOS UTILIZANDO
PROTOCOLO IEEE 802.15.4 (ZIGBEE)
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA 2019
ALEXANDRE CALADO DE OLIVEIRA
SISTEMA MICROCONTROLADO PARA ANÁLISE E
MONITORAMENTO DE EMISSÃO DE GASES TÓXICOS UTILIZANDO
PROTOCOLO IEEE 802.15.4 (ZIGBEE)
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito de obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação.
Orientador: Prof. Dr. Amauri Amorin Assef
CURITIBA 2019
Alexandre Calado de Oliveira
Sistema microcontrolado para análise e monitoramento de emissão de
gases tóxicos utilizando o protocolo IEEE 802.15.4 (Zigbee)
Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro de Controle e Automação, do curso de Engenharia de Controle e Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).
Curitiba, 27 de junho de 2019. ____________________________________
Prof. Paulo Sergio Walenia, Esp. Coordenador de Curso Engenharia de Controle e Automação ____________________________________
Profa. Annemarlen Gehrke Castagna, Ma. Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso de Engenharia de Controle e Automação do DAELT
ORIENTAÇÃO BANCA EXAMINADORA
______________________________________ Amauri Amorin Assef, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientador
_____________________________________ Amauri Amorin Assef, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná _____________________________________ Guilherme Luiz Moritz, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná _____________________________________ Ohara Kerusauskas Rayel, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia de Controle e Automação
RESUMO
OLIVEIRA, Alexandre Calado. Sistema microcontrolado para análise e monitoramento de emissão de gases tóxicos utilizando protocolo IEEE 802.15.4 (Zigbee). 2019. 82 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação ─ Curso de Engenharia de Controle e Automação). Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019.
Devido ao grande crescimento das cidades e emissão de poluentes que ocorreram nas últimas décadas, observou-se a necessidade do monitoramento e controle desses poluentes e de sua concentração em ambientes confinados. Dessa forma, propõe-se o desenvolvimento de um sistema de baixo custo que possa realizar o monitoramento e controle dessas emissões utilizando dispositivos e equipamentos com comunicação sem fio através do protocolo de comunicação IEEE 802.15.4 na faixa de 2,4 GHz a 900 MHz. Para a realização do monitoramento foram utilizados sistemas sensores de gases conectados ponto a ponto, possibilitando flexibilidade para expansão do sistema para uma rede em malha ou outras topologias sempre que houver necessidade. O escopo da pesquisa e estudo é delimitado na atuação do sistema para realização do monitoramento e controle de um protótipo, será realizada a comparação com os dados coletados em campo com os dados adquiridos nos testes em laboratório.
ABSTRACT
OLIVEIRA, Alexandre Calado. Microcontrolled system for analysis and monitoring of toxic gas emission using the IEEE 802.15.4 (ZigBee) protocol. 2019. 82 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação ─ Curso de Engenharia de Controle e Automação). Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019.
Due to the great growth of the cities and the emission of pollutants that have occurred in the last decades, it was observed the need of the monitoring and control of these pollutants and their concentration in confined environments. Therefore, it is proposed the development of a low-cost system that can perform the monitoring and control of these emissions using devices and equipment with wireless communication through the IEEE 802.15.4 communication protocol in the range of 2.4 GHz to 900 MHz To monitor the system, using point-to-point connected gas sensor systems, allowing flexibility to expand the system to a mesh network or other topologies whenever necessary. The scope of the research and study is delimited in the performance of the system to carry out the monitoring and control of a prototype, it will be carried out the comparison with the data collected in the field with the data acquired in the laboratory tests.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Emissão de CO2 em partes por milhão (ppm) por ano. ... 12
Figura 2 - Indicação da qualidade do ar. ... 13
Figura 3 - Elementos de um sistema de comunicação. ... 16
Figura 4 - Modelo de referência OSI. ... 17
Figura 5 - Topologias de rede. ... 24
Figura 6 - Diagrama em blocos de funcionamento do sistema... 27
Figura 7 - Tiva TM4C123GXL Launchpad. ... 28
Figura 8 - Módulo ESP32. ... 29
Figura 9 - Sensor de gás MQ-135. ... 30
Figura 10 - Módulo de counicação ZigBee. ... 31
Figura 11 - Telas de configuração do software ScadaBR. ... 32
Figura 12 - Ambiente confinado para testes do sensor de gás. ... 34
Figura 13 - Diagrama de funcionamento do sistema. ... 35
Figura 14 - Esquematico da interligação física do módulo sensor. ... 36
Figura 15 - Módulo sensor... 36
Figura 16 - Ligação física do módulo controlador. ... 37
Figura 17 - Módulo controlador. ... 38
Figura 18 - Consumo total do sistema. ... 39
Figura 19 - Consumo da placa Tiva TM4C e módulo Zigbee. ... 40
Figura 20 - Consumo da placa Tiva TM4C e módulo Zigbee. ... 40
Figura 21 - Curva de descarga da bateria de 9 V. ... 41
Figura 22 - Concentração de poluentes em ambiente confinado ... 43
Figura 23 - Variação da concentração de poluentes ao ar livre. ... 45
Figura 24 - Local de medição área de grande circulação. ... 46
Figura 25 - Concentração de poluentes, estacionamento de grande circulação. ... 47
Figura 26 - Medição em campo area de menor circulação ... 48
Figura 27 - Emissão de poluentes em estacionamento - pequena circulação. ... 49
Figura 28 - Variação de poluentes próximo a veículos. ... 50
Figura 29 - Tela do supervisório – IHM. ... 51
Figura 30 - Tela inicial XCTU. ... 61
Figura 32 - Tela de configuração das placas... 62
Figura 33 - Identificação do módulo ZigBee. ... 63
Figura 34 - Configuração do módulo ZigBee – Opções. ... 64
Figura 35 - Configuração do módulo ZigBee – Geral. ... 64
Figura 36 - Atualização do módulo ZigBee. ... 65
Figura 37 - Telas de configuração módulo ZigBee. ... 66
Figura 38 - Opções ScadaBR... 67
Figura 39 - Tela de seleção do protocolo de comunicação. ... 68
Figura 40 - Configuração para aquisição dos dados. ... 68
Figura 41 - Tela de inserção de Data Point. ... 69
Figura 42 - Tela de visualização dos status dos Data Point. ... 70
Figura 43 - Tela de configuração da interface grafica. ... 70
Figura 44 - Pin map TM4C123GXL. ... 81
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Formato do pacote ASCII. ... 22
Tabela 2 - Requisitos de funcionamento do sistema. ... 26
Tabela 3 - Medições em espaço confinado. ... 42
Tabela 4 - Medições ao ar livre. ... 44
Tabela 5 - Medições 1 em estacionamento. ... 46
Tabela 6 - Medição 2 em estacionamento. ... 48
Tabela 7 - Medição com variação. ... 50
LISTA DE ABREVIATURAS
ADC Conversor analógico digital
AP Access Point
ASCII American Standard Code for Information Interchange) bps Bits por segundo
BPSK Binary Phase Shift Keying CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CLP Controlador Lógico Programável CO2 Dioxido de Carbono
CR Carriage Return
CRC Cyclic Redundancy Check
DAELT Departamento Acadêmico de Eletrotécnica DSSS Direct Sequence Spread Spectrum
E/S Entrada/Saída
FBD Fluid Dynamic Bearing
FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum FPGA Field Programmable Gated Array
GHz Giga Hertz
GPIO General-Purpose Input/Output GPTM General-Purpose Timer
HTTP HyperText Transfer Protocol
IDE Integrated Development Enviroment
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IHM Interface Homem Máquina
IoT Internet of Things
IR Infra Red (Infravermelho)
ISSO International Standards Organization Kp Ganho proporcional
LAN Local Area Network
LF Line Feed
MAC Media Access Control MAN Metropolitan Area Network Mb/s Megabits por segundo
MHz Mega Hertz
O-QPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying OSI Open System Interconnection
OTA Over-The-Air
PC Personal Computer
PID Proporcional, Integral e Derivativo ppm Partes por milhão
PWM Pulse Width Modulation
RF Radiofrequência
RTU Remote Terminal Unit
SCADA Supervisory Control and Data Acquisiton SSI Synchronous Serial Interface
TCC Trabalho de Conclusão de Curso
TI Texas Instruments
USB Universal Serial Bus
UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná WAN Wide Area Network
WWW Word Wide Web
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 12
1.1 OBJETIVOS ... 14
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 15
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS ... 16
2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE SISTEMAS DE COMUNICÃO ... 16
2.1.1 MODELOS DE REFERÊNCIA OSI ... 17
2.2 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ... 19
2.2.1 PROTOCOLO IEEE 802.15.4 (Zigbee) ... 20
2.2.2 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO MODBUS ... 21
2.3 TIPOS DE TOPOLOGIA DE REDES ... 23
3 MATERIAL E MÉTODOS ... 26 3.1 ESPECIFICAÇÃO DE REQUISITOS ... 26 3.2 MATERIAL E EQUIPAMENTOS ... 27 3.2.1 MICROCONTROLADOR TM4C123G ... 27 3.2.2 MICROCONTROLADOR ESP32 ... 28 3.2.3 SENSOR DE GÁS MQ-135 ... 29 3.2.4 MÓDULO ZIGBEE ... 30 3.2.5 MICROVENTILADOR ... 31 3.2.6 SOFTWARE SCADABR ... 31
3.3 INTEGRAÇÃO COM OS EQUIPAMENTOS ... 32
3.4 TESTES DO SISTEMA DESENVOLVIDO ... 33
3.5 CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA ... 34
3.6 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DO SISTEMA ... 35
3.6.1 MÓDULO SENSOR DE GÁS ... 35
3.6.2 MÓDULO CONTROLADOR ... 37
4 RESULTADOS ... 39
4.1 CONSUMO ENERGÉTICO ... 39
4.2 COLETA DE DADOS EM CAMPO... 41
4.3 CUSTOS DE PROJETO ... 52
5 DISCUSSÃO E CONCLUSÕES ... 53
5.1 DISCUSSÃO ... 53
5.3 TRABALHOS FUTUROS ... 55
REFERÊNCIAS... 57
APÊNDICE A – CONFIGURAÇAO DO MÓDULO ZIGBEE ... 61
APÊNDICE B – CONFIGURAÇAO DO SOFTWARE SUPERVISÓRIO ... 67
APÊNDICE C – CODIGO DO MÓDULO SENSOR ... 71
APÊNDICE D – CODIGO DO CONTROLADOR ... 73
APÊNDICE E – CÓDIGO DO MICROCONTROLADOR COMO PONTE ... 77
ANEXO A – TEXAS TM4C123GXL PIN MAP ... 81
1 INTRODUÇÃO
Com o processo de industrialização que ocorreu nas últimas décadas, em especial ocasionado pelas revoluções industriais, as emissões de gases tóxicosem todo o mundo ampliaram de forma significativa, atingindo em 2017 a marca histórica de 405 partes por milhão (ppm) (AGÊNCIA EFE, 2018). Conforme a Figura 1, na qual o último período refere-se de 2010 a 2016, é possível observar uma concentração muito elevada de gases tóxicos na atmosfera (GLOBAL GREENHOUSE GAS REFERENCE NETWORK, 2018).
Figura 1 - Emissão de CO2 em partes por milhão (ppm) por ano.
Fonte: Global Greenhouse Gas Reference Network, 2018.
Devido ao crescimento acelerado de emissões de gases poluentes e aos riscos que poderiam trazer para a humanidade, grande parte das nações voltaram a sua atenção para a redução de gases causadores do efeito estufa. Diante disso, em 1997 foi assinado o Protocolo de Kyoto, no qual as principais nações mundiais visavam reduzir a emissão dos gases tóxicos e causadores do efeito estufa (KERDNA PRODUÇÃO EDITORIAL, 2018).
Os efeitos prejudiciais das emissões de gases tóxicos para o meio ambiente e para a saúde humana, onde mais de 100 ppm, equivalente a 0,01% do ar respirado, já são suficientes para causar sintomas de intoxicação. Os primeiros sintomas de uma leve intoxicação por monóxido de carbono incluem confusão, cefaleia e náusea.
Quanto mais tempo exposto, piores os sintomas. Em doses moderadas (mais de 1.000 ppm ‒ 0,1% do ar) causa a aceleração do coração (taquicardia), respiração acelerada (taquipneia), vertigens, visão desfocada e sonolência. Exposições intensa (mais de 2.000 ppm ‒ 0,2% do ar) podem causar desmaio e convulsão prolongando a exposição. Eventualmente, ocorre a toxicidade grave no sistema nervoso central e no coração, possivelmente fatal.
Na sequência de uma intoxicação aguda, as sequelas são quase sempre permanentes. O monóxido de carbono pode ter efeitos graves no feto quando inalado por mulheres grávidas. A exposição crônica a baixos níveis de monóxido de carbono pode conduzir à depressão nervosa, confusão e perda da memória (UNITED STATES DEPARTAMENT OF LABOR, 1997).
Assim, tendo em vista os riscos presentes nas emissões gases tóxicos para os seres humanos e na crescente verticalização de moradias e edifícios comerciais, principalmente os habitantes das grandes cidades estão sujeitos em todo o momento a esses gases nocivos. Alguns dos principais emissores desses gases são: veículos com motor ligado em garagens pouco ventiladas; fornos a combustível ou chaminés acessas em casas mal ventiladas; fumaça emitida por incêndios; fornalhas industriais em fábricas mal ventiladas.
É possível observar em diversas cidades uma preocupação crescente com essas emissões. Como exemplo, pode-se citar a cidade de São Paulo, que possui diversos indicadores de qualidade de ar espalhados pela cidade (Figura 2).
Figura 2 - Indicação da qualidade do ar.
Fonte: Folha de São Paulo, 2014.
Aos poucos, observa-se uma preocupação cada vez maior do monitoramento e do controle de emissões, seja em grandes cidades ou no interior dos edifícios,
visando minimizar a concentração de gases tóxicos e, consequentemente, mantendo níveis aceitáveis em seu interior.
Para atender essa crescente necessidade de monitoramento, melhorar a eficiência energética de edifícios e visando integrar o sistema de detecção de emissão de poluentes em conjunto com os sistemas de automação, monitoramento e sistemas de segurança, apresenta-se a possibilidade do emprego de um sistema em rede para atender tais demandas, incluindo flexibilidade para expansão sem onerar a sua instalação.
1.1 OBJETIVOS
O objetivo principal deste trabalho é desenvolver um sistema de monitoramento microcontrolado de monitoramento de emissão de gases tóxicos, simples e flexível, em rede sem fio com tecnologia Zigbee (protocolo IEEE 802.15.4), com capacidade para controle de exaustão e suporte para expansões em instalações prediais, industriais e ambientes confinados.
Além do objetivo principal, este trabalho tem como objetivos específicos: 1) Desenvolver dois módulos microcontrolados sensores de gás tóxico,
sendo um somente para leitura de gás e outro para controle do sistema com capacidade de transferência de dados para microcomputador (PC); 2) Adotar o protocolo Modbus com interface TCP/IP para transferência de
dados e controle do sistema;
3) Implementar um sistema de controle de exaustão simples com três velocidades que possa ser facilmente ajustado e adaptado;
4) Desenvolver uma interface de interação com o usuário utilizando o software supervisório ScadaBR para visualização das emissões de gases e controle de exaustão;
5) Analisar as emissões de gases tóxicos em ambientes abertos e confinados;
6) Analisar o funcionamento e as limitações de atuação da rede sem fio utilizando-se o protocolo IEEE 802.15.4;
8) Corroborar o funcionamento de todo o sistema desde a comunicação, controle, interface com o usuário e atuação do sistema microcontrolado.
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO
No capítulo 2, faz-se uma revisão geral da literatura no qual são apresentados os principais conceitos de redes, topologias e protocolos de comunicação. O capítulo 3 descreve em detalhes o material e métodos para o desenvolvimento do protótipo e do software necessário a integração do sistema. O capítulo 4 são apresentados os resultados obtidos em testes de laboratório, levantamentos em campo e comparações dos dados coletados. No capítulo 5 são apresentas as discussões e conclusões do trabalho.
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Neste capítulo serão descritos conceitos básicos sobre o funcionamento de sistemas de comunicação, tipos de topologias de rede e protocolos de comunicação, com enfoque no IEEE 802.15.4 (Zigbee).
2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE SISTEMAS DE COMUNICÃO
A comunicação envolve implicitamente a informação transmitida de um ponto para outro por uma sucessão de processos. Sempre existem três elementos básicos em cada sistema de comunicação: transmissor, canal e receptor, como ilustrado na Figura 3. O transmissor está localizado em um ponto do espaço, é responsável por converter o sinal da mensagem produzido pela fonte em uma forma adequada de transmissão para o canal. O receptor em algum outro ponto, é responsável por reconstruir uma forma reconhecível do sinal original para o usuário estando separado do transmissor, e o canal é o meio físico que os liga (HAYKIN, 2007).
Figura 3 - Elementos de um sistema de comunicação. Fonte: Autoria própria.
Há dois modos básicos de transmissão:
1 – Radio fusão (broadcasting), que envolve a utilização de um único transmissor potente e de numerosos receptores (HAYKIN, 2007).
2 – Comunicação ponto a ponto, em que o processo de comunicação se desenvolve através de um link entre um único transmissor e um receptor (HAYKIN, 2007).
2.1.1 MODELOS DE REFERÊNCIA OSI
O modelo OSI (Open System Interconnection) é mostrado de forma simplificada na Figura 4. Esse modelo se baseia em uma proposta desenvolvida pela ISO (International Organization for Standardization). O modelo é chamado Modelo de Referência ISO OSI, pois trata da interconexão de sistemas abertos, ou seja, sistemas que estão abertos à comunicação com outros sistemas (TANENBAUM; WETHERAL, 2011).
O modelo OSI propriamente dito não é uma arquitetura de rede, pois não especifica os serviços e os protocolos exatos que devem ser usados em cada camada. Ele apenas informa o que cada camada deve fazer. No entanto, a ISO também produziu padrões para todas as camadas, embora esses padrões não façam parte do próprio modelo de referência. Cada um foi publicado como um padrão internacional distintos (TANENBAUM; WETHERAL, 2011).
Figura 4 - Modelo de referência OSI. Fonte: Autoria própria.
Dessa forma para o sistema em questão estamos utilizando as camadas detalhadas a seguir.
2.1.1.1 CAMADA FÍSICA
A camada física trata da transmissão quantidade de bits brutos por um canal de comunicação. O projeto da rede deve garantir que, quando um lado enviar um bit 1, o outro lado o receberá como um bit 1, não como um bit 0. Nesse caso, as questões mais comuns são: a tensão a ser usada para representar um bit 1 e um bit 0; a quantidade de nano segundos (ns) que um bit deve durar; o fato de a transmissão poder ser ou não realizada nos dois sentidos simultaneamente; a forma como a conexão inicial será estabelecida e de que maneira ela será encerrada quando ambos os lados tiverem terminado; e ainda quantos pinos o conector de rede terá e qual será a finalidade de cada pino. Nessa situação, as questões de projeto lidam em grande parte com interfaces mecânicas, elétricas e de sincronização, e com o meio físico de transmissão que se situa abaixo da camada física (TANENBAUM; WETHERAL, 2011).
2.1.1.2 CAMADA DE ENLACE DE DADOS
A principal tarefa da camada de enlace de dados é transformar um canal de transmissão bruta em uma linha que pareça livre de erros de transmissão não detectados para a camada de rede. A camada de enlace de dados faz com que o transmissor, dívida os dados de entrada em quadros de dados (que, em geral, têm algumas centenas ou alguns milhares de bytes), e transmita os quadros sequencialmente. Se o serviço for confiável, o receptor confirmará a recepção correta de cada quadro, enviando de volta um quadro de confirmação (TANENBAUM; WETHERAL, 2011).
2.1.1.3 CAMADA DE REDE
A camada de rede controla a operação da sub-rede. Uma questão fundamental de projeto é determinar a maneira como os pacotes são roteados da
origem até o destino. As rotas podem se basear em tabelas estáticas, "amarradas" à rede e raramente alteradas. Por fim, elas podem ser altamente dinâmicas, sendo determinadas para cada pacote, com o objetivo de refletir a carga atual da rede (TANENBAUM; WETHERAL, 2011).
Se houver muitos pacotes na sub-rede ao mesmo tempo, eles dividirão o mesmo caminho, provocando gargalos. O controle desse congestionamento também pertence à camada de rede. De modo mais geral, a qualidade do serviço fornecido (retardo, tempo em trânsito, instabilidade etc.). Quando um pacote tem de viajar de uma rede para outra até chegar a seu destino, podem surgir muitos problemas. Cabe à camada de rede superar todos esses problemas, a fim de permitir que redes heterogêneas sejam interconectadas (TANENBAUM; WETHERAL, 2011).
2.1.1.4 CAMADA DE SESSÃO
A camada de sessão permite que os usuários de diferentes máquinas estabeleçam sessões entre eles. Uma sessão oferece diversos serviços, inclusive o controle de diálogo, o gerenciamento de símbolos e a sincronização (TANENBAUM; WETHERAL, 2011).
2.1.1.5 CAMADA DE APRESENTAÇÃO
A camada está relacionada à sintaxe e à semântica das informações transmitidas. Para tornar possível a comunicação entre computadores com diferentes representações de dados, as estruturas de dados a serem intercambiadas podem ser definidas de maneira abstrata, juntamente com uma codificação padrão que será usada durante a conexão (TANENBAUM; WETHERAL, 2011).
2.2 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
A criação de redes sem fios pode ser feita utilizando uma grande variedade de protocolos de RF (radiofrequência). Alguns desses protocolos são propriedade de entidades independentes e outros são protocolos base, ou seja, padrão da indústria. Como foco no desenvolvimento deste trabalho, foi escolhido o protocolo Zigbee para comunicação entre módulos sendo, sendo o protocolo um padrão da
indústria para a transmissão de dados, e o IEEE 802.15.4 é o protocolo base sobre o qual foi desenvolvido o ZigBee (FRUETT; ROA, 2010).
2.2.1 PROTOCOLO IEEE 802.15.4 (ZIGBEE)
O IEEE 802.15.4 (Zigbee) é um standard (padrão) para o estabelecimento de comunicações wireless desenvolvido pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). O IEEE publicou os padrões que definem a comunicação em áreas como a Internet, periféricos dos computadores (Firewire – IEEE 1394), comunicações industriais e comunicações sem fio (wireless LANs – IEEE 802.11, wireless MANs – 802.16, Wi-Fi, Bluetooth). Enquanto esses padrões foram desenvolvidos com a preocupação numa grande largura de banda para serem utilizados em aplicações de acesso à Internet, o IEEE 802.15.4 foi desenvolvido com uma menor taxa de transmissão, fácil conectividade e mínimo consumo de energia. Este protocolo especifica que a comunicação pode ocorrer em 3 bandas diferentes, destinadas a aplicações científicas, industriais e médicas:
868 - 868,8 MHz 902 - 928 MHz 2,4 - 2,4835 GHz
Apesar de qualquer uma destas bandas poder ser utilizada para os dispositivos 802.15.4, a banda dos 2,4 GHz é a mais utilizada, uma vez que é uma banda livre na maioria dos países do mundo. A banda dos 868 MHz é específica para utilizações na Europa, e a banda dos 902-928 MHz só pode ser utilizada nos Estados Unidos, Canadá e outros países que permitam a utilização destas bandas.
O padrão 802.15.4 específica que a comunicação deve ocorrer em canais de 5 MHz que podem ir deste os 2,405 GHz aos 2,280 GHz. Na banda dos 2,4 GHz o ritmo de transmissão máximo especificado é de 250 kB, com 16 canais disponíveis. No entanto, devido à complexidade acrescida pelos mecanismos de segurança e encriptação dos dados, o ritmo de transmissão é metade do especificado. Por sua vez, nas bandas dos 915 MHz e 868 MHz estão disponíveis taxas de transmissão de 40 kbps com 10 canais de comunicação e 20 kbps com um canal de comunicação, respectivamente. Além disso, enquanto o padrão especifica canais de 5 MHz, apenas aproximadamente 2 MHz de cada canal é que são ocupados. Enquanto nas bandas
dos 868 MHz e 915 MHz se utiliza a modulação BPSK, na banda dos 2.4 GHz o protocolo IEEE 80215.4 utiliza o O-QPSK com forma de meia senoide para modular a portadora de radiofrequência (FRUETT; ROA, 2010).
O protocolo 802.15.4 permite que seja estabelecida uma comunicação ponto a ponto ou uma comunicação ponto a multiponto. Uma aplicação típica deste protocolo envolve a existência de um coordenador central ao qual estão ligados diversos nós que comunicam diretamente com o coordenador (FRUETT, ROA, 2010).
2.2.2 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO MODBUS
O protocolo Modbus é baseado no paradigma de comunicação mestre-escravo, onde o mestre é responsável por coordenar diversos escravos. O Modbus é utilizado na camada de aplicação e foi inicialmente desenvolvido para ser utilizado na comunicação dos Controladores Lógico Programáveis (CLPs) com sensores e atuadores (KOBAYASHI, TIAGO, 2009).
Inicialmente, o Modbus foi desenvolvido para dispositivos que utilizam meios de comunicação serial. A comunicação Modbus que utiliza linhas seriais que pode ser realizada de duas formas: RTU (Remote Terminal Unit) e ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Esses dois modos de comunicação Modbus possuem um formato de pacote especifico, que é o mesmo para requisição e resposta. As formas RTU e ASCII diferenciam-se pela apresentação dos dados (KOBAYASHI, TIAGO, 2009).
Cada pacote Modbus serial é composto de seis campos que são representados por dados binários, no modo RTU, e composto por caracteres, no modo ASCII. Esses campos são definidos como: início que indica o começo do pacote; endereço que indica qual dispositivo recebera ou enviará o pacote; função em que este campo representa o objetivo do pacote; dados que é campo onde os dados serão alocados, este campo tem o seu conteúdo de acordo com o campo função do pacote; controle é responsável pela detecção de erros no pacote; fim que sinaliza que a comunicação entre os dispositivos foi terminada (KOBAYASHI, TIAGO, 2009).
No Modbus RTU, o campo Início é representado por um intervalo de silêncio. Os campos de endereço e de função são apresentados por 8 bits. O campo Dados depende da função utilizada a cada informação é representada por 8 bits também,
podendo conter inúmeras informações (n) dentro de um mesmo pacote. A verificação de erro neste modo é realizada através do algoritmo de CRC (Cyclic Redundancy Check), sendo representado por 16 bits; O campo fim é representado pelo mesmo conteúdo do campo Início, um intervalo de silencio.
O campo início, no modo ASCII, é definido pelo caractere ‘:’ (0x3A em hexadecimal). Os campos, de endereço e de função, são representados por dois caracteres. O campo dados, no modo ASCII, é representado por dois caracteres e utiliza o algoritmo de LRC (Longitudinal Redundancy Check) para detecção de erros. O fim do pacote é representado por um par de caracteres CR (Carriage Return) e de LF (Line Feed). Na Tabela 1 é apresentado o formato do pacote de dados do Modbus ASCII:
Tabela 1 - Formato do pacote ASCII.
Início Endereço Função Dados LCR Fim
‘:’ (0x3A) 2 caractere 2 caractere n caractere 2 caractere CRLF
Fonte: Autoria própria.
A transferência de dados no protocolo Modbus pode ser realizada fisicamente através das interfaces RS-232, RS-485 ou Ethernet. O protocolo possui comandos para envio de dados discretos (entradas e saídas digitais - bit) ou numéricos (entradas e saídas analógicas), conforme ilustrado na Tabela 1.
Neste Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) foi implementada a comunicação de dados via rede TCP/IP, que é descrita resumidamente na próxima seção.
2.2.2.1 MODBUS/TCP
Com a grande utilização e facilidade do protocolo Modbus, foram incorporados novos meios de comunicações como o Ethernet, que é utilizado como uma variação do protocolo, denominado Modbus/TCP. Esta variação utiliza a pilha de protocolos TCP/IP para realizar as transações entre dispositivos, que contribui para uma maior conectividade, visto que permite interligar diferentes tipos de rede, compartilhando uma mesma infraestrutura (KOBAYASHI, TIAGO, 2009).
Os pacotes do Modbus/TCP consistem de uma modificação do pacote Modbus tradicional e do encapsulamento deste pacote em segmentos TCP. O Modbus/TCP contém somente dois campos do pacote Modbus tradicional (função e dados), sendo eliminados os campos de início, de endereço e de fim que são desnecessários em comunicações sobre Ethernet, realizados por protocolos específicos. O campo de controle também não está presente no Modbus/TCP, pois a verificação de erros de transmissão é realizada através de camadas inferiores ao Modbus/TCP (KOBAYASHI, TIAGO, 2009).
A camada do Modbus /TCP é composta por um cabeçalho para indicar parâmetro da transmissão, um campo para indicar o código de função realizada e um campo contendo os dados que estão sendo transmitidos. Os outros campos do cabeçalho Modbus/TCP podem ser definidos como:
Identificador de transação: É um campo, com dois bytes, que identifica a comunicação entre servidor e o cliente Modbus;
Identificador de protocolo: este campo, com dois bytes, é utilizado para identificar o protocolo. O Modbus é especificado com o valor 0;
Tamanho: Este campo, com dois bytes, contém a quantidade de bytes dos campos seguintes a ele, incluindo identificador de unidade, função e dados;
Identificador de Unidade: este campo, com um byte, é utilizado para identificador os dispositivos Modbus que estejam interconectados na rede através de um gateway (KOBAYASHI, TIAGO, 2009).
Os outros dois campos do pacote Modbus/TCP, função e dados, contêm o código de função e dos dados transmitidos, sendo o campo de dados determinado pelo código de função (KOBAYASHI, TIAGO, 2009).
2.3 TIPOS DE TOPOLOGIA DE REDES
A topologia de rede é o canal no qual o meio de rede está conectado aos equipamentos e outros componentes de uma rede. É a estrutura topológica da rede, e pode ser descrito física ou logicamente. Existem duas categorias básicas de topologias de rede a topologia física e a lógica (FRANCISCATTO; CRISTO; PERLIN, 2014).
A topologia física representa como as redes estão conectadas (layout físico) e o meio de conexão dos dispositivos de redes (nós). A forma com que os cabos são conectados, e que são chamamos de topologia da rede (física), influencia em diversos pontos considerados críticos, como a flexibilidade, velocidade e segurança. Algumas topologias estão representadas na Figura 5 (FRANCISCATTO; CRISTO; PERLIN, 2014).
A topologia lógica refere-se à maneira como os sinais agem sobre os meios de rede, ou a maneira como os dados são transmitidos através da rede a partir de um dispositivo para o outro sem ter em conta a interligação física dos dispositivos. Existem ao menos oito topologias básicas, como topologia em barramento, topologia em anel, Daisy Chain, etc (FRANCISCATTO; CRISTO; PERLIN, 2014).
Para o estudo em questão foi implementado a topologia ponto a ponto, porém o sistema poderia ser expandido, sendo capaz de assumir qualquer uma das topologias comentadas a seguir.
Figura 5 - Topologias de rede.
Fonte: Adaptado de Marksim em dominio público, 2006.
Ponto a ponto: É uma arquitetura de redes de computadores onde cada um dos pontos ou nós da rede funcionam tanto como cliente quanto como servidor, permitindo compartilhamentos de serviços e dados sem a necessidade de um servidor central (FRANCISCATTO; CRISTO; PERLIN, 2014).
Topologia em estrela: Nessa topologia toda a informação deve passar obrigatoriamente por uma estação central inteligente, que deve conectar cada estação da rede e distribuir o tráfego para que uma estação não receba, indevidamente, dados destinados às outras (FRANCISCATTO; CRISTO; PERLIN, 2014).
Topologia em malha: Rede mesh ou rede de malha, é uma alternativa de protocolo ao padrão 802.11 para diretrizes de tráfego de dados e voz além das redes a cabo ou infraestrutura wireless (FRANCISCATTO; CRISTO; PERLIN, 2014).
Esta topologia é muito utilizada em várias configurações, pois facilita a instalação e configuração de dispositivos em redes mais simples. Todos os nós estão atados a todos os outros nós, como se estivessem entrelaçados. Já que são vários os caminhos possíveis por onde as informações podem fluir da origem até o destino. Neste tipo de rede, o tempo de espera é reduzido e eventuais problemas não interrompem o funcionamento da rede (FRANCISCATTO; CRISTO; PERLIN, 2014).
Topologia em árvore: A topologia em árvore é essencialmente uma série de barras interconectadas. Geralmente existe uma barra central onde outros ramos menores se conectam. Esta ligação é realizada através de repartidores e as conexões das estações realizadas do mesmo modo que no sistema de barra padrão (FRANCISCATTO; CRISTO; PERLIN, 2014).
Topologia híbrida: É a topologia mais utilizada em grandes redes. Assim, adequa-se a topologia de rede em função do ambiente e funcionalidade de cada segmento de rede. São as que utilizam mais de uma topologia ao mesmo tempo, podendo existir várias configurações que podemos criar utilizando uma variação de outras topologias (FRANCISCATTO; CRISTO; PERLIN, 2014).
3 MATERIAL E MÉTODOS
Os equipamentos, material e softwares necessários para realizar o desenvolvimento e montagem dos protótipos estão descritos neste capítulo. Também serão apresentadas a integração dos componentes do sistema proposto.
3.1 ESPECIFICAÇÃO DE REQUISITOS
Para a concepção e desenvolvimento do sistema, foi definida inicialmente a especificação de requisitos. Essa especificação é apresentada na Tabela 2, com as definições dos parâmetros e circuitos necessários para a aquisição de dados, processamento das informações e desenvolvimento do sistema de controle. Além disso, são definidas as interfaces físicas para configuração do sistema.
Tabela 2 - Requisitos de funcionamento do sistema.
Item Especificação
1 Utilização de dois módulos microcontrolados com sensores de gás tóxico 2 Comunicação entre o módulo sensor e controlador
3 Protocolo para comunicação entre dispositivos utilizando comunicação Zigbee (wireless) 4 Módulo sensor somente para monitoramento de emissão de gases
5 Módulo controlador realiza monitoramento de emissão de gás 6 Controle de exaustão
7 Comunicação com o software supervisório 8 Envio de amostras a cada 2 segundos
9 Sistema de exaustão com três velocidade (33%, 66% e 100%) 10 Possibilidade de diferentes topologias de rede entre os sensores
11 Protocolo Modbus/TCP para comunicação entre PC e módulo controlador 12 Módulo microcontrolado ponte de conversão serial para Ethernet
13 Tela de login no software supervisório para conexões com o gateway do sistema
14 Caso existam mais de uma controladora as mesmas podem se comunicar com o padrão TCP/IP
15 O protótipo do sistema irá funcionar em rede ponto a ponto Fonte: Autoria própria.
Na Figura 6 é apresentado o diagrama em blocos do sistema desenvolvido neste TCC e descrito nas próximas seções. Basicamente, o sistema é formado por três módulos microcontrolados: módulo sensor de gás, controlador do sistema e ponte de comunicação Modbus/TCP com o PC.
O módulo sensor é responsável pela leitura e transmissão de dados do sensor de gás MQ-135 através da interface Zigbee. O controlador do sistema, além da leitura de um sensor de gás e controle do ventilador de exaustão, recebe as informações dos demais módulos sensores (caso existam) e as envia para a ponte de comunicação. Por fim, o módulo ponte de comunicação, representado por uma placa ESP32, encapsula os dados dos sensores disponíveis na rede no protocolo Modbus/TCP e as envia para um PC, para apresentação através do software supervisório.
Figura 6 - Diagrama em blocos de funcionamento do sistema.
Fonte: Autoria própria.
3.2 MATERIAL E EQUIPAMENTOS
A seguir são descritos o material e equipamentos utilizados para o desenvolvimento do trabalho, incluindo: placas microcontroladas Tiva Launchpad e ESP32, sensor de gás MQ-35, módulo XBee, microventilador e software supervisório.
3.2.1 MICROCONTROLADOR TM4C123G
O Tiva-C (ou TM4C) Launchpad é uma plataforma de prototipagem eletrônica de microcontroladores criado pela empresa Texas Instruments (TI). São equipadas
com um microcontrolador ARM Cortex-M4F CPU, também fabricado pela TI, sendo as versões mais simples da família as placas EK-TM4C123GXL e EK-TM4C1294XL. Seus pinos possui o padrão de 3,3 V e a maioria é tolerante a 5 V (TEXAS INSTRUMENTS, 2018).
O TM4C Series TM4C123GXL LaunchPad (Figura 7), adotado neste trabalho, é uma atualização da TI da Stellaris LaunchPad adicionando opções de suporte de Pulse Width Modulation (PWMs) para controle de movimento e funcionalidade de USB host (TEXAS INSTRUMENTS, 2018).
Figura 7 - Tiva TM4C123GXL Launchpad.
Fonte: Texas Instruments, 2018.
Entre as principais características técnicas do TM4C123 importantes neste TCC, destacam-se: núcleo de 32 bits ARM Cortex-M4F; desempenho de 80 MHz, 100 DMIPS; memória Flash de 256 kB; memória SRAM de 32 kB; memória EEPROM de 2 kB; 8 módulos UART; 6 blocos de 16/32 bits e 6 blocos de 32/64 bits de temporizador de propósito geral (General-Purpose Timer - GPTM); e ferramenta de desenvolvimento e depuração IDE Code composer Studio (TI) gratuita.
3.2.2 MICROCONTROLADOR ESP32
O módulo ESP32 (Figura 8) é um módulo de alto desempenho para aplicações envolvendo Wi-Fi, contando com um baixíssimo consumo de energia. É uma evolução do já conhecido ESP8266, com maior poder de processamento e bluetooth BLE 4.2 embutido (FILIPEFLOP, 2018).
A placa possui um chip ESP32 com antena embutida, uma interface USB-serial e regulador de tensão 3,3 V. O microcontrolador permite criar variadas aplicações para
projetos de IoT (Internet of Things), acesso remoto, webservers e dataloggers, entre outros (FILIPEFLOP, 2018).
A placa ESP32 foi adotada neste trabalho como ponte de conversão de dados enviados serialmente pelo microcontrolador TM4C, através do módulo UART, para Wi-Fi. Neste caso, os dados recebidos são encapsulado no protocolo Modbus/TCP. Além disso, recebe os comandos do PC através da mesma interface.
Figura 8 - Módulo ESP32.
Fonte: Filipeflop, 2018.
As principais características técnicas do ESP32 incluem: CPU: Xtensa® Dual-Core 32-bit LX6; ROM de 448 kB; RAM de 520 kB; Flash de 4 MB; frequência máxima de 240 MHz; wireless com padrão 802.11 b/g/n; conexão Wi-Fi 2,4 GHz (máximo de 150 Mbps); antena embutida; conector micro-usb; 11 portas GPIO (General-Purpose Input/Output); GPIO com funções de PWM, I2C, SPI, etc.; tensão de operação: 4,5 ~ 9 V; taxa de transferência de 110-460800 bps; dimensões de 49 x 25,5 x 7 mm.
3.2.3 SENSOR DE GÁS MQ-135
O módulo MQ-135 (Figura 9) foi escolhido neste trabalho como sensor de gás, devido ao seu baixo custo e facilidade de obtenção do mesmo. O módulo é capaz de detectar vários tipos de gases tóxicos, como amônia, dióxido de carbono, benzeno, óxido nítrico, e também fumaça ou álcool (OLIMEX, 2018).
Figura 9 - Sensor de gás MQ-135.
Fonte: Filipeflop, 2018b.
As principais especificações técnicas do sensor de gás MQ-135 são: alimentação: 5 V; detecção de gases tóxicos como amônia, dióxido de carbono, benzeno, óxido nítrico, fumaça e álcool; faixa de detecção amônia: 10 ppm à 300 ppm; faixa de detecção benzeno: 10 ppm à 1000 ppm; faixa de detecção álcool: 10 ppm à 300 ppm; circuito integrado de interface LM393; saídas digital e analógica; dimensões de 40 x 25 x 22mm.
Além do MQ-135, poderiam ser implementados diversos outros sensores industriais. Porém, seu custo de aquisição seria extremamente elevado como os sensores CTX 300 e OLCT IR do fabricante 3M/Oldham, ou os sensores Optima Plus e Sensepoint do fabricante Honeywell Analytics.
3.2.4 MÓDULO ZIGBEE
O módulo XBee S2C 802.15.4 atua nas faixas de 2,4 GHz e 900 MHz. Essa placa funciona em topologia ZigBee com rede mesh e multiponto. Essa flexibilidade reduz o tempo de desenvolvimento e facilita o processo de configuração, já que o desenvolvedor pode substituir um módulo pelo outro facilmente (DIGI, 2018).
O módulo é ideal para aplicações que requerem baixa latência e tempos de comunicação constantes, em redes em configuração ponto-a-ponto, e multiponto. Também possuem facilidade de configuração e atualização de firmware (DIGI, 2018). Adicionalmente, integram-se perfeitamente com diversos gateways, adaptadores e extensores do alcance. O Digi XBee S2C 802.15.4 (Figura 10) atualizado é construído utilizando o EM357 SoC da empresa SiliconLabs e oferece reduzido consumo de energia. A configuração dos módulos pode ser feita facilmente utilizando-se o software gratuito Digi X-CTU, ou por meio de comandos AT (DIGI, 2018).
Figura 10 - Módulo de counicação ZigBee.
Fonte: Filipeflop, 2018c.
As principais características técnicas do módulo Xbee S2C 802.15.4 incluem: circuito integrado XB24CAWIT-001; alimentação de 2,1 a 3,6 V; frequência de 2,4 GHz; taxa de dados: 250 kbps; potência de transmissão de 3,1 mW (+5 dBm); corrente de transmissão de 33 mA; corrente de recepção de 28 mA; alcances de até 60 m em ambiente fechado e até 1200 m em ambiente aberto; 15 pinos digitais E/S; interface de dados: UART e SPI; configuração local ou remota; topologias em 802.15.4 estrela, Zigbee e DigiMesh; dimensões: 27.61 x 24.38 mm.
3.2.5 MICROVENTILADOR
Para a simulação e testes do sistema em laboratório foi utilizado um microventilador com alimentação de 12 V como exaustor. Esse componente foi empregado para verificar e comprovar a funcionalidade do algoritmo de controle. As principais especificações de microventilador do fabricante C3TECH (KABUM, 2018) são: dimensões de 8 x 8 x 2,5 cm; ventilador de 7 lâminas; rotação 2200RPM ± 10%; conector: 3 Pinos (Placa Mãe); tensão nominal de 12 VCC; tensão de partida de 5 VCC;
consumo de 1 W e corrente 90 mA.
3.2.6 SOFTWARE SCADABR
O ScadaBR é um software livre, gratuito e de código-fonte aberto, para desenvolvimento de aplicações de automação, aquisição de dados e controle supervisório (SCADABR, 2018). O ScadaBR pretende oferecer todas as funcionalidades de um sistema SCADA tradicional. Este tipo de software existe desde o final dos anos 60, e é a peça fundamental em qualquer tipo de aplicação
computadorizada que envolva máquinas, CLPs, acionamentos eletrônicos e sensores (SCADABR, 2018).
Pode-se dizer que um SCADA funciona como o “sistema nervoso central” de um sistema de automação, monitorando todos os dispositivos e oferecendo acesso organizado a seus controles e parâmetros. O objetivo do ScadaBR, exemplificado na Figura 11, é atingir profissionais de automação, universidades, escolas técnicas e empresas de todos os portes, que necessitam comandar máquinas diversas através de um computador, executar lógicas de automação, ou simplesmente visualizar dados de sensores, ambientes e processos industriais (SCADABR, 2018).
Neste TCC, foi empregado o protocolo de comunicação Modbus/TCP, disponível na plataforma do ScadaBR.
Figura 11 - Telas de configuração do software ScadaBR.
Fonte: ScadaBR, 2018.
3.3 INTEGRAÇÃO COM OS EQUIPAMENTOS
Com todos o material e equipamentos citados anteriormente, foi realizada a montagem conforme o esquemático da Figura 6, onde o microcontrolador TM4C123GXL realiza a aquisição, processamento de dados e das informações recebidas de cada sensor de gás e de cada receptor e transmissor da rede ZigBee. Além da comunicação e processamento de dados, o microcontrolador também é responsável pela transmissão das informações para o módulo ESP32 que está atuando como ponte de comunicação entre a placa TM4C123GXL e o software supervisório.
Para a realização dos testes em laboratório, confeccionou-se um módulo protótipo microcontrolado com o sensor disposto para captação do gás e medição. O segundo módulo microcontrolador implementado é responsável pelo controle do microventilador, que atua como exaustor do protótipo, e comunicação com software o supervisório.
3.4 TESTES DO SISTEMA DESENVOLVIDO
Após o desenvolvimento dos módulos sensores, foram realizados testes em ambiente controlado para a análise do comportamento do sistema. A análise do sistema em laboratório foi realizada em um ambiente confinando, representado por uma caixa de madeira compensada com dimensão de aproximadamente 31x31x32 cm. A caixa contém o microventilador que atua como exaustor de saída de ar, na qual foi gerada fumaça diretamente no ambiente confinado, através da queima de um pedaço de papel em um recipiente metálico (Figura 12). Foi implementado e testado em laboratório um sistema simples de controle de exaustão com três velocidades (33%, 66% e 100%).
Através do sensor foram adquiridos os dados experimentais, até ser atingido um valor máximo possível durante os testes. Com essas informações, realizaram-se testes em campo, especificamente em estacionamentos, para analisar a taxa de concentração de gases tóxicos nesses ambientes.
Para o monitoramento de todo o sistema e das informações adquiridas foi desenvolvido uma aplicação utilizando o software ScadaBR, que é o responsável pela interface do sistema, além de possibilitar o controle manual da funcionalidade de exaustão.
Todos os testes do sistema foram realizados nos laboratórios do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) dos cursos de graduação em Engenharia da Universidade Tecnologia Federal do Paraná (UTFPR). Para a realização dos experimentos iniciais, utilizou-se uma fonte de tensão contínua (CC) para alimentação dos módulos e a captura de dados foi realizada através de um notebook, conectado diretamente ao módulo controlador.
Figura 12 - Ambiente confinado para testes do sensor de gás.
Fonte: Autoria própria.
3.5 CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA
Inicialmente, o módulo sensor realizada a leitura da emissão de gás. Em seguida, é realizado o processamento dessas informações e realizado o empacotamento dos dados para envio ao módulo controlador. Com os dados recebidos pelo controlador, o mesmo realiza uma análise e identifica a necessidade de acionamento do exaustor ao mesmo tempo em que se comunica com o software supervisório. Dessa forma, o processo de funcionamento do sistema é representado no fluxograma da Figura 13.
Figura 13 - Diagrama de funcionamento do sistema.
Fonte: Autoria própria.
3.6 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DO SISTEMA
O sistema foi construído utilizando como base o microcontrolador TM4C123GXL da TI. Dessa forma, todas as conexões físicas dos módulos sensor e o controlador foram realizadas através dos conectores de expansão disponíveis na placa Tiva Launchpad.
3.6.1 MÓDULO SENSOR DE GÁS
O módulo sensor é composto por um sensor de gás MQ-135, placa Tiva LaunchPad, shield XBee, contendo o módulo de comunicação ZigBee, e um regulador de tensão para alimentar todos os dispositivos através de uma bateria externa, conforme representado na Figura 14.
Figura 14 - Esquematico da interligação física do módulo sensor.
Fonte: Autoria própria.
Para montagem foram utilizados os pinos RX e TX da UART0 do microcontrolador TM4C123GXL e no pino PE3 foi conectada a saída do sensor de gás que envia um valor analógico correspondente a leitura de gás. Devido às limitações construtivas apresentada pelo módulo de comunicação ZigBee, foi escolhido a construção do protótipo em uma placa perfurada 10x20, representando a montagem da placa na Figura 15. O firmware implementado para a coleta dos dados e envio para o módulo controlador está apresentado no APÊNDICE C.
Figura 15 - Módulo sensor.
3.6.2 MÓDULO CONTROLADOR
Para realizar o monitoramento e o controle do sistema foi implementado um módulo controlador, sendo constituído por um shield ZigBee, placa Tiva LaunchPad, sensor de gás MQ-135 e uma placa ESP32, sendo utilizada como ponte entre o módulo controlador e software supervisório. Na Figura 16 é apresentada a conexão entre os itens do módulo controlador.
Figura 16 - Ligação física do módulo controlador.
Fonte: Autoria própria.
Foram conectados os pinos da UART1 da placa Tiva LaunchPad no shield ZigBee e em seguida, ainda no microcontrolador, utilizou-se a UART0 para conexão com o ESP32. No ESP32, foram utilizadas a porta serial 2 para comunicação com o TM4C123GXL e a UART0 para estabelecer a comunicação com o Wi-Fi e, consequentemente, o software supervisório em PC.
Um segundo sensor de gás foi conectado ao pino PE3 do TM4C123GXL, e o controle do exaustor foi realizado através do pino PA4 para comando de um transistor TIP41C, através do qual o exaustor pode ser controlado de modo simples. Na Figura 17 é apresentado o sistema completo do módulo controlador desenvolvido. Maiores informações sobre os posicionamentos dos pinos utilizados são apresentadas nos ANEXOS A (placa Tiva Lauchpad) e B (módulo ESP32).
As configurações necessárias ao funcionamento do módulo controlador são apresentadas nos APÊNDICES D e E, nos quais são apresentadas a programação das placas Tiva Lauchpad e ESP32, respectivamente.
Figura 17 - Módulo controlador.
4 RESULTADOS
Neste capítulo serão apresentados os resultados das avaliações realizadas para teste dos módulos, aquisição de dados e configuração do supervisório. Além disso, apresentam-se as comparações com os testes realizados em diferentes ambientes.
4.1 CONSUMO ENERGÉTICO
Como o módulo sensor proposto poderá estar localizado longe de fontes de alimentação externas, realizou-se a análise do consumo. No primeiro teste, analisou-se o sistema completo com a placa Tiva, módulo Zigbee e analisou-sensor de gás. Nesanalisou-se teste, considerando a tensão de alimentação de 9 V, a corrente total consumida pelo sistema foi de aproximadamente 240 mA, conforme ilustrado na Figura 18.
Figura 18 - Consumo total do sistema.
Fonte: Autoria própria.
No segundo teste, realizou-se a análise do consumo energético apenas do microcontrolador TM4C e do módulo Zigbee onde o seu consumo foi de 88,2 mA, conforme a Figura 19. Dessa forma, identificou-se que apenas o sensor de gás consome cerca de 151,8 mA.
Figura 19 - Consumo da placa Tiva TM4C e módulo Zigbee.
Fonte: Autoria própria.
No último teste, realizou-se a medição apenas da placa Tiva LaunchPad. Identificou-se um consumo de cerca de 55 mA, conforme a Figura 20. Consequentemente, constatou-se que o módulo Zigbee consome cerca de 33,2 mA, sendo que o mesmo está configurado para a sua capacidade de transmissão máxima.
Figura 20 - Consumo da placa Tiva TM4C e módulo Zigbee.
Para a realização dos testes em campo foi utilizado uma bateria de 9 V. Durante os testes todo o sistema foi configurado para realizar a coleta de dados e envio das informações de forma contínua, dessa forma seu consumo de energia durante os testes foi máximo, cerca de 240 mA contínuo. Após a análise do consumo do módulo sensor e realizar a comparação com a curva de descarga das baterias mais comuns (Figura 21), verificou-se que o dispositivo poderia ser alimentado pela bateria por um período de aproximadamente 45 minutos.
Figura 21 - Curva de descarga da bateria de 9 V.
Fonte: Baterias Duracell, 2019.
4.2 COLETA DE DADOS EM CAMPO
Antes do início dos testes em campo, procedeu-se uma avaliação do alcance do sistema de comunicação sem fio. No primeiro momento, o sensor foi fixado em um dado ponto e o módulo controlador distanciado cerca de 90 metros, em um ambiente aberto e livre de interferências. Essa distância se aproxima do que poderia ser encontrada na aplicação do sistema proposto. O sistema se manteve atuando sem perda de informações ou pacotes de dados.
Já em ambientes internos e com obstáculos, o sensor funcionou corretamente a uma distância de aproximadamente 15 metros com o sinal passando por 3 paredes sem sofrer perda de informação ou pacote de dados. Dessa forma, o sistema
apresenta comunicação e funcionamento adequado para a aplicação proposta, mesmo com eventuais interferências.
No primeiro experimento em ambiente confinado, foi inserido o sensor na parte superior da caixa apresentada na Figura 12. Para simulação de condições reais e até mesmo a possibilidade de um princípio de incêndio foi utilizado uma folha de papel, alojada em um recipiente metálico. O teste durou cerca de 10 minutos, no qual foram coletados os dados apresentados na Tabela 3. O valor da coluna Medição da tabela representa o valor de emissão de gás convertido pelo módulo conversor analógico-digital (ADC) do microcontrolador TM4C.
Tabela 3 - Medições em espaço confinado. Nº da
medição Medição Tempo Nº da medição Medição Tempo Nº da medição Medição Tempo
1 68 00:00:02 16 127 00:00:32 387 12 00:10:24 2 72 00:00:04 17 84 00:00:34 389 12 00:10:26 3 68 00:00:06 ... ... ... 390 43 00:10:28 4 72 00:00:08 273 176 00:06:36 391 72 00:10:30 5 72 00:00:10 274 181 00:06:38 392 76 00:10:32 6 68 00:00:12 275 181 00:06:40 393 56 00:10:34 7 66 00:00:14 276 182 00:06:42 394 57 00:10:36 8 68 00:00:16 277 181 00:06:44 395 56 00:10:38 9 65 00:00:18 278 184 00:06:46 396 60 00:10:40 10 69 00:00:20 279 185 00:06:48 397 74 00:10:42 11 64 00:00:22 280 187 00:06:50 398 80 00:10:44 12 68 00:00:24 281 178 00:06:52 399 73 00:10:46 13 241 00:00:26 282 184 00:06:54 400 72 00:10:48 14 145 00:00:28 283 181 00:06:56 401 74 00:10:50 15 116 00:00:30 ... ... ... 402 72 00:10:52
Fonte: Autoria própria.
Com os dados coletados, elaborou-se o gráfico de concentração de poluentes, apresentado na Figura 22. Verificou-se que a média de poluentes no ambiente foi de 122,37. Por conveniência, as medições foram ajustadas para atuar de 0 até 255 (8 bits).
Foi realizado a análise do manual do componente, sendo verificado que ele possui um comportamento linear na maioria dos gases em que o sensor atua. Dessa forma, realizou-se a conversão dos dados medidos para partículas por milhão (ppm). O sensor trabalha em uma faixa de 0 a 1000 ppm, de acordo com a range de detecção do sensor. Assim, os valores lidos pelo sensor serão de 0, correspondente a uma concentração de poluentes próxima a 0 ppm, e quando as leituras atingem 255
corresponde a 1000 ppm. Para medição realizada verificou-se que a concentração no ambiente estava próxima de 480 ppm.
É possível observar uma grande variação nas primeiras medições. Isso se dá devido a fumaça não se dispersar de forma uniforme pelo ambiente, o que ocasiona uma grande variação nas medições. Porém, aos poucos se estabiliza, apresentando o comportamento visto na metade em diante do gráfico.
Figura 22 - Concentração de poluentes em ambiente confinado
Fonte: Autoria própria
No segundo experimento, realizaram-se medições de emissão de poluentes com o sensor em um ambiente aberto ao tempo (ar livre). Assim, identificaram-se os valores apresentados na Tabela 4.
0 50 100 150 200 250 300 00 :0 0: 02 00 :0 0: 18 00 :0 0: 34 00 :0 0: 50 00 :0 1: 06 00 :0 1: 22 00 :0 1: 38 00 :0 1: 54 00 :0 2: 10 00 :0 2: 26 00 :0 2: 42 00 :0 2: 58 00 :0 3: 14 00 :0 3: 30 00 :0 3: 46 00 :0 4: 02 00 :0 4: 18 00 :0 4: 34 00 :0 4: 50 00 :0 5: 06 00 :0 5: 22 00 :0 5: 38 00 :0 5: 54 00 :0 6: 10 00 :0 6: 26 00 :0 6: 42 00 :0 6: 58 00 :0 7: 14 00 :0 7: 30 00 :0 7: 46 00 :0 8: 02 00 :0 8: 18 00 :0 8: 34 00 :0 8: 50 Co nc en tr aç ão d e Po lu en te s Tempo
Tabela 4 - Medições ao ar livre. n° da
medição Medição Tempo n° da medição Medição Tempo n° da medição Medição Tempo
1 12 00:00:02 16 12 00:00:32 470 16 00:15:40 2 16 00:00:04 17 16 00:00:34 471 18 00:15:42 3 13 00:00:06 18 20 00:00:36 472 16 00:15:44 4 16 00:00:08 ... ... ... 473 16 00:15:46 5 14 00:00:10 251 18 00:08:22 474 16 00:15:48 6 16 00:00:12 252 16 00:08:24 475 18 00:15:50 7 16 00:00:14 253 16 00:08:26 476 16 00:15:52 8 11 00:00:16 254 13 00:08:28 477 16 00:15:54 9 17 00:00:18 255 19 00:08:30 478 13 00:15:56 10 16 00:00:20 256 16 00:08:32 479 17 00:15:58 11 16 00:00:22 257 16 00:08:34 480 16 00:16:00 12 12 00:00:24 258 17 00:08:36 481 14 00:16:02 13 13 00:00:26 259 16 00:08:38 482 16 00:16:04 14 21 00:00:28 260 17 00:08:40 483 16 00:16:06 15 20 00:00:30 ... ... ... 484 11 00:16:08
Fonte: Autoria própria.
Com os valores coletados em ambiente aberto, obteve-se a dispersão gráfica conforme representado na Figura 23. Identificou-se que a variação de poluentes em um ambiente aberto ao tempo possui uma média de 15, o que equivale a 59 ppm. Esse resultado está em conformidade com o esperado para ambientes abertos e com grande espaço para dissipação de poluentes.
Figura 23 - Variação da concentração de poluentes ao ar livre.
Fonte: Autoria própria.
A partir dos dados coletados foi realizado o cálculo do desvio padrão através da Equação (1).
𝐷𝑃 = ∑ (𝑥 − 𝑀 )
𝑛 (1)
Na qual:
∑ é o somatório dos termos, desde a posição (i=1) até a posição n; xi é o valor na posição i no conjunto de dados;
MA é a média aritmética dos dados;
n quantidade de dados.
Verificou-se um desvio padrão das medidas igual a 3,66, o que seria um valor baixo para este sensor já que tal valor corresponde a apenas 0,7% da faixa de operação do sensor.
Num quarto momento, foram realizados o estudo no estacionamento de um Shopping da cidade de Curitiba (Figura 24), sendo esse um local mais crítico, pois existe uma grande circulação de veículos. Os resultados da avaliação são apresentados na Tabela 5. 0 5 10 15 20 25 30 00 :0 0: 02 00 :0 0: 30 00 :0 0: 58 00 :0 1: 26 00 :0 1: 54 00 :0 2: 22 00 :0 2: 50 00 :0 3: 18 00 :0 3: 46 00 :0 4: 14 00 :0 4: 42 00 :0 5: 10 00 :0 5: 38 00 :0 6: 06 00 :0 6: 34 00 :0 7: 02 00 :0 7: 30 00 :0 7: 58 00 :0 8: 26 00 :0 8: 54 00 :0 9: 22 00 :0 9: 50 00 :1 0: 18 00 :1 0: 46 00 :1 1: 14 00 :1 1: 42 00 :1 2: 10 00 :1 2: 38 00 :1 3: 06 00 :1 3: 34 00 :1 4: 02 00 :1 4: 30 00 :1 4: 58 00 :1 5: 26 00 :1 5: 54 Co nc en tr aç ão d e Po lu en te s Tempo
Figura 24 - Local de medição área de grande circulação.
Fonte: Autoria própria.
Tabela 5 - Medições 1 em estacionamento. nº da
medição Medição Tempo nº da medição Medição Tempo nº da medição Medição Tempo
1 105 00:00:02 16 105 00:00:32 303 112 00:10:06 2 105 00:00:04 17 101 00:00:34 304 116 00:10:08 3 104 00:00:06 18 100 00:00:36 305 116 00:10:10 4 104 00:00:08 ... ... ... 306 113 00:10:12 5 104 00:00:10 85 89 00:02:50 307 120 00:10:14 6 104 00:00:12 86 88 00:02:52 308 116 00:10:16 7 107 00:00:14 87 89 00:02:54 309 114 00:10:18 8 110 00:00:16 88 90 00:02:56 310 112 00:10:20 9 114 00:00:18 89 90 00:02:58 311 112 00:10:22 10 116 00:00:20 90 89 00:03:00 312 113 00:10:24 11 112 00:00:22 91 89 00:03:02 313 112 00:10:26 12 109 00:00:24 92 91 00:03:04 314 112 00:10:28 13 108 00:00:26 93 90 00:03:06 315 121 00:10:30 14 108 00:00:28 94 90 00:03:08 316 120 00:10:32 15 105 00:00:30 ... ... ... 317 117 00:10:34
Fonte: Autoria própria
Com os dados da avaliação, elaborou-se a análise gráfica representada na Figura 25. Por ser um local fechado, com uma pequena circulação de ar e um intenso fluxo de veículos, identifica-se uma quantidade elevada de poluentes, sendo que a maior parte das medições oscilou próximo de 110, o que representa cerca de 43,38% da escala do sensor, equivalente a cerca de 434 ppm. A partir desse nível já é
perceptível a diferença do ar em relação a outros ambientes, onde após um tempo contínuo de exposição, entre 1 a 2 horas, poderia ocasionar cefaleia frontal e náuseas (UNITED STATES DEPARTAMENT OF LABOR, 1993).
Figura 25 - Concentração de poluentes, estacionamento de grande circulação.
Fonte: Autoria própria.
Ainda no interior do estacionamento, realizaram-se medições em um ambiente com menor circulação, conforme a Figura 26. Nesse teste, foi perceptível a diferença da qualidade do ar em comparação à experiência anterior. Os dados coletados são representados sucintamente na Tabela 6.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 00 :0 0: 02 00 :0 0: 22 00 :0 0: 42 00 :0 1: 02 00 :0 1: 22 00 :0 1: 42 00 :0 2: 02 00 :0 2: 22 00 :0 2: 42 00 :0 3: 02 00 :0 3: 22 00 :0 3: 42 00 :0 4: 02 00 :0 4: 22 00 :0 4: 42 00 :0 5: 02 00 :0 5: 22 00 :0 5: 42 00 :0 6: 02 00 :0 6: 22 00 :0 6: 42 00 :0 7: 02 00 :0 7: 22 00 :0 7: 42 00 :0 8: 02 00 :0 8: 22 00 :0 8: 42 00 :0 9: 02 00 :0 9: 22 00 :0 9: 42 00 :1 0: 02 00 :1 0: 22 Co nc en tr aç ão d e Po lu en te s Tempo
Figura 26 - Medição em campo area de menor circulação
Fonte: Autoria própria
Tabela 6 - Medição 2 em estacionamento. nº da
medição Medição Tempo nº da medição Medição Tempo nº da medição Medição Tempo
1 5 00:00:02 16 9 00:00:32 187 2 00:06:14 2 9 00:00:04 17 9 00:00:34 188 2 00:06:16 3 9 00:00:06 18 8 00:00:36 189 4 00:06:18 4 8 00:00:08 ... ... ... 190 6 00:06:20 5 4 00:00:10 91 4 00:03:02 191 0 00:06:22 6 9 00:00:12 92 0 00:03:04 192 0 00:06:24 7 11 00:00:14 93 2 00:03:06 193 0 00:06:26 8 10 00:00:16 94 0 00:03:08 194 6 00:06:28 9 8 00:00:18 95 0 00:03:10 195 7 00:06:30 10 8 00:00:20 96 4 00:03:12 196 6 00:06:32 11 8 00:00:22 97 3 00:03:14 197 2 00:06:34 12 8 00:00:24 98 1 00:03:16 198 0 00:06:36 13 12 00:00:26 99 1 00:03:18 199 3 00:06:38 14 8 00:00:28 100 0 00:03:20 200 5 00:06:40 15 4 00:00:30 ... ... ... 201 2 00:06:42
Fonte: Autoria própria
Assim, obteve-se uma dispersão representada pela Figura 27, sendo o desvio padrão aproximadamente de 3,5, o que representa uma oscilação de cerca de 1,37%
em relação a escala do sistema. Assim, identificou-se que a concentração de poluentes foi igual a 14 ppm. Conclui-se que, por se tratar de um ambiente mais aberto, com uma quantidade mínima de poluentes e uma boa circulação de ar, os dados condizem o ambiente em estudo.
Figura 27 - Emissão de poluentes em estacionamento - pequena circulação.
Fonte: Autoria própria.
Para a última análise, utilizou-se um veículo automotivo para avaliação de gás emitido pelo escapamento. Inicialmente, o sensor foi deixado ao menos 1 minuto longe de qualquer emissão de gás. Em seguida, o sensor permaneceu por um minuto próximo a uma distância de cerca de 10 cm do escapamento do veículo. Os resultados desse experimento são apresentados na Tabela 7, e representados graficamente pela Figura 28. 0 2 4 6 8 10 12 14 00 :0 0: 02 00 :0 0: 14 00 :0 0: 26 00 :0 0: 38 00 :0 0: 50 00 :0 1: 02 00 :0 1: 14 00 :0 1: 26 00 :0 1: 38 00 :0 1: 50 00 :0 2: 02 00 :0 2: 14 00 :0 2: 26 00 :0 2: 38 00 :0 2: 50 00 :0 3: 02 00 :0 3: 14 00 :0 3: 26 00 :0 3: 38 00 :0 3: 50 00 :0 4: 02 00 :0 4: 14 00 :0 4: 26 00 :0 4: 38 00 :0 4: 50 00 :0 5: 02 00 :0 5: 14 00 :0 5: 26 00 :0 5: 38 00 :0 5: 50 00 :0 6: 02 00 :0 6: 14 00 :0 6: 26 00 :0 6: 38 Co nc en tr aç ão d e Po lu en te s Tempo
Tabela 7 - Medição com variação. nº da
medição Medição Tempo nº da medição Medição Tempo nº da medição Medição Tempo
1 32 00:00:02 16 21 00:00:32 287 14 00:09:34 2 33 00:00:04 17 23 00:00:34 288 14 00:09:36 3 34 00:00:06 18 21 00:00:36 289 28 00:09:38 4 28 00:00:08 ... ... ... 290 14 00:09:40 5 40 00:00:10 150 20 00:05:00 291 16 00:09:42 6 37 00:00:12 151 14 00:05:02 292 19 00:09:44 7 40 00:00:14 152 20 00:05:04 293 22 00:09:46 8 34 00:00:16 153 20 00:05:06 294 17 00:09:48 9 28 00:00:18 154 220 00:05:08 295 28 00:09:50 10 32 00:00:20 155 250 00:05:10 296 30 00:09:52 11 25 00:00:22 156 250 00:05:12 297 17 00:09:54 12 29 00:00:24 157 241 00:05:14 298 22 00:09:56 13 24 00:00:26 158 252 00:05:16 299 27 00:09:58 14 22 00:00:28 159 248 00:05:18 300 18 00:10:00 15 22 00:00:30 ... ... ... 301 19 00:10:02
Fonte: Autoria própria.
Figura 28 - Variação de poluentes próximo a veículos.
Fonte: Autoria própria.
O teste foi repetido quatro vezes em que foi possível verificar claramente o momento em que o sensor se aproximou do escapamento do veículo, sendo possível verificar uma brusca alteração do valor medido.
0 50 100 150 200 250 300 00 :0 0: 02 00 :0 0: 20 00 :0 0: 38 00 :0 0: 56 00 :0 1: 14 00 :0 1: 32 00 :0 1: 50 00 :0 2: 08 00 :0 2: 26 00 :0 2: 44 00 :0 3: 02 00 :0 3: 20 00 :0 3: 38 00 :0 3: 56 00 :0 4: 14 00 :0 4: 32 00 :0 4: 50 00 :0 5: 08 00 :0 5: 26 00 :0 5: 44 00 :0 6: 02 00 :0 6: 20 00 :0 6: 38 00 :0 6: 56 00 :0 7: 14 00 :0 7: 32 00 :0 7: 50 00 :0 8: 08 00 :0 8: 26 00 :0 8: 44 00 :0 9: 02 00 :0 9: 20 00 :0 9: 38 00 :0 9: 56 Co nc en tr aç ão d e Po lu en te s Tempo
Medição em Veiculos
A partir das informações adquiridas, foi implementado uma interface com o usuário utilizando um software ScadaBR. A ideia desse desenvolvimento é que a tela possa ser implementada e utilizada em uma IHM (Interface Homem Máquina), como representado na Figura 29. Nessa tela são apresentadas informações sobre dois estacionamentos divididos em três zonas cada um. É possível visualizar graficamente a concentração de gases tóxicos, e ainda controlar o exaustor pelas opções apresentadas no canto inferior direito da tela, que também mostra a velocidade do exaustor. Dessa forma, seria possível disponibilizar para o usuário maiores informações sobre a leitura de gás de diversos ambiente monitorados e ajustar as configurações de tela conforme houver a necessidade. Maiores informações sobre o processo de configuração e ajuste do supervisório são apresentados no Apêndice B.
Figura 29 - Tela do supervisório – IHM.
