TÍTULO: APLICAÇÃO DE REDE DE SENSORES SEM FIO PARA SENSORES DE FLUXO DE ÁGUA EM INSTALAÇÕES PREDIAIS E INDUSTRIAIS
TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO CATEGORIA:
ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA ÁREA:
SUBÁREA: ENGENHARIAS SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE CAMPINAS INSTITUIÇÃO:
AUTOR(ES): VALÉRIA CRISTINA DOS SANTOS SILVA AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): ALEXANDRE DE ASSIS MOTA, LIA TOLEDO MOREIRA MOTA ORIENTADOR(ES):
COLABORADOR(ES): DANIEL BARROS, LEANDRO MACHADO COLABORADOR(ES):
APLICAÇÃO DE REDES DE SENSORES SEM FIO PARA
SENSORES DE FLUXO DE ÁGUA EM INSTALAÇÕES PREDIAIS E
INDUSTRIAIS
Valéria Silva, Daniel Barros, Leandro Machado, Lia Mota, Alexandre Mota (Pontifícia Universidade Católica de Campinas)
1. RESUMO
O presente trabalho visa a aplicação de uma rede de sensores sem fio em um sensor de fluxo de água, para monitoramento do consumo da mesma. Foram realizados estudos para conhecimento sobre redes sem fio, o tipo de sensor a ser utilizado, a plataforma de programação e recursos a serem utilizados. O processo de montagem do projeto foi realizado no Laboratório de Eletrônica da PUC-Campinas. Como conclusão foi possível à incorporação de um sensor para a medição da vazão de água em um dispositivo que utiliza um protocolo SNMP para acessar as medidas.
Palavras-chave: Sensor de Fluxo, Rede de Sensores Sem Fio, Arduino, protocolo SNMP.
2. INTRODUÇÃO
A escassez de água é algo que nos últimos tempos tem preocupado a população e alcançando índices alarmantes. Devido a esse fato vem se trabalhando cada vez mais em dispositivos que viabilizem o monitoramento do consumo desse fluxo. Sendo assim, a integração de tecnologias como sensores que possam ser monitorados remotamente pode contribuir para economia de recursos hídricos.
2.1 Sensor de Efeito Hall
Devemos detalhar um estudo do Sensor de Fluxo de Água (Modelo:FS300A G3/4’). Esse sensor é constituído de uma válvula plástica, um rotor de água e um sensor de Efeito Hall. O que ocorre é que quando a água flui pelo rotor altera sua rotação e o sensor de Efeito Hall emite o sinal correspondente ao pulso.
Na Figura 1 podemos observar um diagrama de como funciona o Efeito Hall. Na parte "A", o elemento Hall recebe uma carga negativa na extremidade superior (azul) e uma positiva na extremidade inferior (vermelho). Em "B" e "C", tanto a corrente elétrica ou o campo magnético são revertidos, causando a polarização reversa. Invertendo ambas corrente e campo magnético ("D") faz com que o elemento Hall novamente assuma a carga negativa na extremidade superior.
Os números de 1 a 5 representam respectivamente elétrons, sensor hall, ímãs, campo magnético e fonte de alimentação.
Figura 1- Diagrama de Efeito Hall (Fonte: Sensores de Efeito Hall, capturado online de http://www.huinfinito.com.br/67-sensor-de-efeito-hall, em 21 de
Figura 2- Sensor de Fluxo FS300A G ¾’
2.2 Rede de Sensores Sem Fio
As Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) é uma subclasse das redes ad hoc formadas por dispositivos mais simples e de baixo custo e tem como objetivo principal monitorar e, em alguns casos, controlar o ambiente que estão inseridas.
As redes Ad Hoc não dependem de uma infraestrutura pré-definida. Nesse tipo de rede, os nós se comunicam por meio físico e essa conexão permite que os nós entrem e saiam da rede sem afetar seu funcionamento. Na figura 3 encontra-se o esquema básico de uma Rede de Sensores Sem Fio.
Nesta arquitetura, diversos nós sensores se comunicam com um nó de base, que coordena, coleta e envia as informações transmitidas pelos sensores a uma base de dados. Essa estrutura básica pode ser replicada hierarquicamente na rede, podendo então serem configurados nós concentradores, responsáveis por clusters de sensores, que formam uma (ou mais) redes subordinadas ao nó de base (BRANQUINHO, 2011; MONTALI, 2011).
2.3 Protocolo SNMP
O protocolo SNMP (Simple Network Management Protocol) é um protocolo da camada de aplicação criado para transportar informações de gerência de rede entre os dispositivos gerenciados e os sistemas de gestão de redes, ele possibilita que administradores de rede gerenciem o desempenho da uma rede monitorando interfaces, processadores, memórias de equipamentos como roteadores, switches, dispositivos wireless e servidores. (TI- Redes, http://www.ti-redes.com/gerenciamento/snmp/intro/)
A figura 4 representa a topologia de uma rede gerenciada por SNMP que inclui três elementos:
Dispositivos gerenciados: são os dispositivos dessa rede que serão gerenciados e possuem o suporte a esse protocolo.
Agentes: os módulos de software que armazenam informação dos dispositivos gerenciados em uma base de informações conhecida como MIB. Sistema de Gestão de Redes: é o sistema responsável pelo monitoramento
e controle dos dispositivos gerenciados.
Figura 4 Topologia de uma rede gerenciada por SNMP (Fonte: TI- Redes, capturado online em de http://www.ti-redes.com/gerenciamento/snmp/intro/, em 30
de julho de 2014)
Existem ainda três mensagens muito comuns durante o gerenciamento. São elas:
Set: permite a estação de gerenciamento definir o valor dos objetos MIB. Trap: permite a notificação a estação de eventos significativos.
3. OBJETIVO
Esse trabalho tem como objetivo a incorporação de um sensor de fluxo de água, de efeito hall, em uma rede de sensores sem fio para monitoramento do consumo de água em edificações.
4. METODOLOGIA
Para incorporação de um sensor de fluxo de água em uma rede de sensores sem fio foi utilizada a metodologia dos testes experimentais, emulação do sensor e comparação dos resultados obtidos com resultados esperados.
5. DESENVOLVIMENTO
Primeiramente foi escolhido o sensor de fluxo de água FS300A G ¾’, devido a simplicidade do uso e o custo acessível. A partir de testes experimentais realizados em bancada, foi aplicado um fluxo de ar no sensor, devido à dificuldade de manuseio de água no interior do laboratório.
Utilizando o osciloscópio, foi verificada a forma de onda na saída do sensor para posterior emulação da mesma, ou seja, com mesma amplitude a partir da utilização do gerador de funções.
Todas as medidas fornecidas pelo sensor se baseiam na equação abaixo para medir a vazão baseada nas especificações encontradas no Data Sheet.
Onde:
X : vazão(L/h)
A: frequência aplicada(Hz)
O valor 60 é necessário para medir a taxa em horas e a constante 5,5 é uma especificação do Data Sheet do sensor. Logo abaixo na figura 5 encontra-se uma tabela construída a partir da equação. Essa tabela contém os valores de vazão em litros por hora que estão em função da frequência na saída do sensor.
Figura 5- Tabela de Vazão em função da Frequência
Os valores de frequência presentes na tabela foram emulados a partir do gerador de funções, com objetivo de compara-los com a mesma na etapa final.
Iniciamos então o desenvolvimento do código para medir a vazão na saída do sensor de efeito hall. Para isso utilizamos algumas funções simples e um cálculo baseado principalmente no DataSheet do FS300A.
A comunicação desse sensor com a rede sem fio foi desenvolvida através do protocolo SNMP, utilizando um TPLINK com um circuito modificado em conjunto aluno da Pós-Graduação Leandro.
Frequência(Hz) Vazão (L/h) 1 10,91 5 54,55 10 109,09 15 163,64 20 218,18 25 272,73 30 327,27 35 381,82 40 436,36 45 490,91 50 545,45 55 600 60 654,55
Foto 6- Emulação do Sensor de Efeito Hall
6. RESULTADOS
Os resultados encontram-se representados em forma de gráfico e sketch da programação desenvolvida no Arduino. Na Figura 7, encontramos a sketch
desenvolvido para medir a vazão(em L/h), quando uma determinada quantidade de água passa pelo rotor do sensor.
Através do comando get, no MIB Browser, o sensor envia para o TPLINK a vazão medida naquele instante. Foi observado que o programa mostra valores corretos a partir de um tempo de 3 segundos, para valores menores o sensor se mostrava nulo. Porém, esse fato pode ser compensado pela possibilidade de se fazer medidas em diversos sensores nesse espaço de tempo.
Figura 9- Gráfico da Vazão em relação a frequência aplicada
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
De acordo com os experimentos e pesquisas realizadas conclui-se que é possível realizar o monitoramento de um sensor a longa distância utilizando protocolos para enviar informações.
Conforme os resultados apresentados, para uma precisão de duas casas decimais o sensor não apresenta divergência nos resultados teóricos e experimentais.
Com relação aos resultados pode-se modificar o código para identificarmos com uma maior precisão o volume de água em um determinado instante de tempo. Poderia ser melhorado também incorporando sensores de temperatura para verificar como a vazão se comportaria com as variações da mesma. Procurando tentar diminuir o tempo de resposta dos sensores para que não tenhamos a perda de medições.
8. FONTES CONSULTADAS
Branquinho, O. C. (2011). Plataforma Radiuino para estudos em Redes de Sensores Sem Fio. Capturado online de http:// www.radiuino.cc, em 30-09-2011.
Boylestad, R.L., Nashelsky, L. (2004). Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. Prentice Hall. SãoPaulo (SP).
Cyriaco, F. S.; Peris, A. J. F.; Biazotto, L. H.; Branquinho, O. C.; Mota, A. A.; Mota, L. T. M. (2011).Bancada para monitoramento do consumo de energia e gerência de rede de sensores sem fio utilizando protocolo SNMP. In: 40º IGIP - Simpósio Internacional de Educação em Engenharia.
Malvino, A.P. (1986). Eletrônica. McGraw Hill. São Paulo (SP).
Thomazini, D., Albuquerque, P. (2007). Sensores Industriais - Fundamentos e Aplicações. Editora Érica.São Paulo (SP).
Capasso, A., et.al. (1994). A bottom-up approach to residential load modeling. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 9, No. 2, pp.957-964.
Lamberts, R.; Goulart, S.; Carlo, J.; Westphal, F. (2006). Proposta de regulamentação de etiquetagem voluntária de nível de eficiência energética de edifícios comerciais e públicos. In: ENCIT - 11th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering. Anais...Curitiba: ENCIT.
